JP2007144445A

JP2007144445A - 構造用鋼材の製造方法

Info

Publication number: JP2007144445A
Application number: JP2005340426A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Hotta; 浩喜堀田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2005-11-25
Publication date: 2007-06-14

Abstract

【課題】焼入れ−焼戻しを行わなくても優れた機械的性質を有し、表面品質にも優れた構造用鋼製品の製造方法を提供する。
【解決手段】加熱、粗圧延、ホットスカーフィングおよび仕上圧延の工程を経て、鋼塊から0.35〜0.50質量％のＣを含有する直径120〜180ｍｍの断面丸形状の構造用鋼材を製造する方法であって、鋼塊を1100〜1150℃の加熱温度で加熱し、次いで加熱温度を850〜900℃に一旦下げ、再度加熱温度を950〜1020℃に昇温し、その温度で鋼塊を保持した後にその鋼塊を加熱炉より抽出して粗圧延し、900〜950℃の表面温度にて予め点火したホットスカーファーで表面を溶削し、続いて圧延終了温度を750〜850℃とする仕上圧延を行うことを特徴とする構造用鋼材の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面品質が良好であり、かつ、焼入れ−焼戻しの熱処理を施す必要のない機械構造用鋼材の製造方法に関する。

例えば、0.40〜0.50質量％（以下、質量％を単に％と記す。）のＣを含む機械構造用鋼材で、特に直径が120ｍｍ以上というような大断面の丸鋼を製造する場合、圧延後に焼入れ−焼戻しの熱処理を施すのが一般的である。この熱処理によって所定の機械的性質を付与するのである。

しかしながら、上記の熱処理は、製造コストの上昇を招き、また熱処理に伴う変形の矯正や検査に時間がかかって生産効率が低下する。したがって、熱間圧延のままで、熱処理をしなくても優れた表面品質と機械的性質を有する鋼材が望まれている。

機械構造用鋼の焼入れ−焼戻しを省略する技術は、下記のようにいくつか知られている。

特許文献１（特開2003−147433号公報）には、特定の組成の鋼片を900〜750℃で仕上げ圧延する分塊圧延製品の製造方法が開示されている。しかし、その方法は、ホットスカーファーでの溶削温度が、1250〜950℃と高いため、900〜750℃の仕上圧延温度とするには、仕上圧延機前で被圧延材を長時間待機させて温度低下を待つ必要があり、生産性が悪い。また、ホットスカーファーによる処理を施す前の表面温度が950℃を下回ると溶削が困難であり、これ以上表面温度を下げることができず、結果的に粗圧延前の加熱炉からの抽出温度を1300〜1050℃と高くせざるを得なかった。このように炉からの抽出温度が高いため、被圧延材の表層の結晶粒が粗大化する傾向があり、加工度を大きくとれない製品寸法の鋼材では、表層と中央部で機械的性質のばらつきが大きくなるという問題があった。

特許文献２（特開2005−29877号公報）に開示されているのは、シャー割れを防止するために、製品中心部の結晶粒の粗大化を抑制することを目的とした発明であるが、1080℃以下の温度で素材を加熱炉から抽出し、950℃以下の温度で仕上圧延を施すものの、成形性低下のため加熱炉からの抽出温度は1030〜1080℃、仕上圧延温度は900〜950℃と高くせざるを得ない。そのため、直径120〜180ｍｍの断面丸形状の構造用鋼材として望ましい機械的性質が得られない。

特開2003−147433号公報特開2005−29877号公報

本発明の課題は、0.35〜0.50％のＣを含有する直径が120〜180mmの大断面の丸鋼であって、焼入れ−焼戻しを行わなくても優れた機械的性質を有し、表面品質にも優れた構造用鋼製品の製造方法を提供することにある。なお、上記の優れた機械的性質とは、降伏強度（ＹＰ）が440N／ｍｍ²以上、引張強度（ＴＳ）が740N／ｍｍ²以上、伸び（ＥＬ）17％以上、絞り（ＲＡ）が30％以上であることを意味する。

本発明は、下記の構造用鋼材の製造方法を要旨とする。

加熱、粗圧延、ホットスカーフィングおよび仕上圧延の工程を経て、鋼塊から0.35〜0.50質量％のＣを含有する直径120〜180ｍｍの断面丸形状の構造用鋼材を製造する方法であって、鋼塊を1100〜1150℃の加熱温度で加熱し、次いで加熱温度を850〜900℃に一旦下げ、再度加熱温度を950〜1020℃に昇温し、その温度で鋼塊を保持した後にその鋼塊を加熱炉より抽出して粗圧延し、900〜950℃の表面温度にて予め点火したホットスカーファーで表面を溶削し、続いて圧延終了温度を750〜850℃とする仕上圧延を行うことを特徴とする構造用鋼材の製造方法。

上記の製造方法において使用する鋼塊は、下記の化学組成を持つ鋼塊であることが望ましい。

質量％で、Ｃ：0.35〜0.50％、Si：0.5％以下、Mn：0.5〜1.5％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.05％以下、Cr：0.05〜0.3％、Ｖ：0.1〜0.2％、Al：0.1％以下およびＮ：0.02％以下を含み、残部がFeおよび不純物からなる鋼塊。

本発明の製造方法によれば、熱間圧延のままで優れた機械的性質を有し、かつ表面品質にも優れた鋼材が得られる。この鋼材は焼入れ−焼戻しの熱処理を施す必要がないので、各種製品を安価に製造することができる。

本発明は、下記の新たな知見を基礎としてなされたものである。

(a) 前掲の特許文献１にも記載されているように、表面品質のよい鋼材を得るには仕上圧延の前にホットスカーフィングによって鋼片表面を溶削しておく必要がある。特許文献１では、この溶削のためには鋼片表面温度が950℃以上でなければならない、としている。しかし、本発明者は、予熱炎発生機構を有するホットスカーファーを用い、これに予め点火しておき、その予熱炎で鋼片を加熱したのちにスカーフィングを行えば、ホットスカーフィング前の鋼片の表面温度を950℃以下（具体的には950〜900℃）と低くしても、安定した溶削が可能であることを知った。

(b) 上記のようにホットスカーファーによる溶削の前の鋼片表面温度を低くすれば、溶削後の鋼片温度も低温になる。したがって、仕上圧延機前で被圧延材を長時間待機させなくても、低い仕上圧延終了温度（具体的には750〜850℃）での仕上圧延を行うことができる。その結果、望ましい機械的性質を得ることができる。

(c) ホットスカーファーによる溶削温度を高くしておく必要がなければ、鋼塊の加熱炉からの抽出温度を下げることができる。その結果、被圧延材の表層の結晶粒が粗大化するのを抑制することができる。それによって、加工度を大きくとれない製品寸法のものであっても、表層と中央部で機械的性質のばらつきを小さくすることができる。

(d) しかし、加熱炉からの抽出温度を下げると、表層の温度上昇による結晶粒の粗大化は抑制できるものの、鋼塊の表面と中央部の温度差が、粗圧延時の成形安定性に与える影響が顕在化する。すなわち、抽出温度が低いため、温度上昇の追随が遅い中央部の変形能が、粗圧延時の圧延能力に顕著に影響する。

(e) 素材の鋼塊中央部の温度を速やかに上昇させるためには、加熱パターンの変更があ必要である。

以下、本発明の製造方法を具体的に説明する。

図１は、本発明方法の工程とヒートパターンを示す図である。鋼塊は、まず1100〜1150℃に加熱される。次いで、一旦、鋼塊加熱温度を850〜900℃に下げ、その後、再度昇温して950〜1020℃とする。

上記のように加熱温度を変更するのは、熱間圧延のままで、焼入れ−焼戻しの熱処理を施すことなく、優れた製品鋼材の機械的性質を確保するためである。最初の1100〜1150℃での加熱によって、鋼塊は、表層のオーステナイト粒が粗大化しない範囲で加熱される。これを850〜900℃の比較的低温で保持することによって、内部までの温度を均一にすることができる。

上記のような状態になった鋼塊を再度950〜1020℃に加熱すれば、表層のオーステナイト粒の成長を抑制することができ、製品でのフェライト粒の微細化が可能になって、優れた機械的性質を有し、かつ表面品質や圧延形状にも優れた製品を製造することができる。

鋼塊の加熱炉は、均熱炉でもよいが、連続炉（被加熱物を移動させながら加熱する炉）であってもよく、炉の区域ごとに加熱温度を制御すれば、上記のヒートパターンが実現できる。なお、上記の各温度での加熱時間は、120分程度とするのがよい。

加熱炉から抽出した鋼塊は、まず粗圧延される。粗圧延の終了温度は、できるだけ950℃に近い温度であることが望ましい。そうすれば、次のホットスカーフィング開始までの待ち時間が短くなるからである。

粗圧延された鋼塊（以下、鋼片という）は、ホットスカーフィングによってその表面が溶削される。このホットスカーフィングの際の鋼片表面温度を900〜950℃とするのが本発明方法の特徴の一つである。

前記のとおり、従来は、鋼片表面温度が950℃以下であれば、ホットスカーフィングは困難とされていた。しかしながら、予め点火したスカーファーを使用し、予熱炎で鋼片表面を加熱すれば、鋼片の表面温度が900〜950℃であっても溶削は可能である。ただし、表面温度が900℃よりも低いと、予熱に時間がかかり作業効率が低下する。また、スカーフムラが生じて表面品質が低下するおそれもある。

溶削によって表面の疵等を除去した鋼片は、仕上圧延に供される。この仕上圧延では、圧延終了温度を750〜850℃にすることが重要である。850℃以下の低温での圧延によって、結晶粒が微細化し、高い強度と優れた靱性が得られる。しかし、750℃より低温になると変形抵抗が大きくなって圧延の負荷が過大になり、鋼片に割れが発生するおそれがある。

本発明方法の対象とする鋼塊は、Ｃ含有量が0.35〜0.50％のものである。Ｃ含有量が0.35％よりも少ないと、熱間圧延のままで必要な強度が得られない。一方、0.50％を超えると、強度が高くなりすぎて、切削性が損なわれるとともに靭性も低下する。

代表的な鋼塊の組成は、Ｃ：0.35〜0.50％、Si：0.5％以下、Mn：0.5〜1.5％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.05％以下、Cr：0.05〜0.3％、Ｖ：0.1〜0.2％、Al：0.1％以下およびＮ：0.02％以下を含み、残部がFeおよび不純物からなるものである。

以下、上記各成分の作用効果を説明する。

Siは、鋼の脱酸に寄与する。しかし、その含有量が0.5％を超えると熱間圧延の際に鋼の脱炭を促すおそれがある。したがって、その含有量は0.5％以下とするのが望ましい。

Mnは、鋼の焼入れ性を高めて強度の向上に寄与する。この効果を得るには0.5％以上の含有が望ましい。一方、1.5％を超えると強度が高くなりすぎ、延性および靱性が損なわれる。

Ｐは、鋼の粒界に偏析して靱性を低下させる不純物である。その含有量は、0.03％以下で、できるだけ少ない方がよい。

Ｓは、不純物として含有される元素であるが、さらに鋼中でMnＳとなって被削性を改善する効果を有する。したがって、とくに被削性を重視する鋼材の場合には0.05％以下の範囲で含有させることができる。ただし、Ｓの含有量が0.05％を超えると靱性低下を招く場合がある。より望ましい範囲は、0.005〜0.05％である。

Crは、鋼の焼入れ性を高めて強度の向上に寄与する。この効果を得るには0.05％以上の含有が望ましい。一方、0.3％を超えると、圧延後の冷却のままでベイナイトやマルテンサイトといった硬質組織が生じ、切削性が低下する場合がある。

Ｖは、結晶粒を微細化する効果がある。この効果を得るには0.1％以上の含有が望ましい。一方、過剰な含有はその効果が飽和するばかりか靭性の低下を来たす場合があるため、0.2％以下とするのが望ましい。

Alは、鋼の脱酸に寄与する。また、窒化物を形成することにより、結晶粒を微細化する効果を有する。しかし、その含有量が0.1％を超えると、上記の効果が飽和するばかりか靭性の低下を来たす場合があるため、0.1％以下とするのが望ましい。より望ましい範囲は、0.01〜0.1％である。

Ｎは、不純物として含有される元素であるが、窒化物を形成することにより、結晶粒を微細化する効果を有する。0.02％を超えるとその効果が飽和するばかりか靭性の低下を来たす場合があるため、0.02％以下とするのが望ましい。

表１に示す組成の鋼塊を用いて、表２に示す様々な直径の丸鋼材を製造した。製造条件は下記のとおりである。

(1)鋼塊の加熱
加熱炉中で1130℃×120分加熱した後、890℃に下げて、再度1000℃×120分加熱。

(2)ホットスカーフィング
炉から抽出した鋼塊の表面温度が930℃になったときに、予熱炎に点火したスカーファーを用いて溶削を行った。溶削終了時の鋼塊表面温度は980℃であった。

(3)圧延
鋼塊温度が940℃の状態で圧延を開始し、仕上温度を830℃とした。

従来法に相当する比較例として、幾つかのサイズの丸鋼材を、ホットスカーフィング温度：1050℃、溶削終了時の鋼塊表面温度：1100℃、圧延開始温度：1050℃、仕上温度：980℃で製造した。

上記のようにして製造した丸鋼材の圧延のままの機械的性質を表２に示す。

表２に示すとおり、本発明方法で製造された鋼材は、直径が125〜180ｍｍと大きい丸鋼材であるにもかかわらず、圧延のままで高い降伏強度と引張強度を有し、絞り値および伸び値も大きい。即ち、優れた強度と延性を兼ね備えている。なお、丸鋼片の表面品質も良好であった。

一方、従来の方法で製造した比較例の鋼材は、圧延のままでは降伏強度および引張強度が低く、所要の強度とするには焼入れ−焼戻しの熱処理が必要である。

本発明によれば、圧延のままで優れた機械的性質を有する鋼材を製造することができる。この鋼材は、焼入れ−焼戻しの熱処理を必要としないので、製造コストも低い。

本発明方法の工程とヒートパターンを示す図である。

Claims

加熱、粗圧延、ホットスカーフィングおよび仕上圧延の工程を経て、鋼塊から0.35〜0.50質量％のＣを含有する直径120〜180ｍｍの断面丸形状の構造用鋼材を製造する方法であって、鋼塊を1100〜1150℃の加熱温度で加熱し、次いで加熱温度を850〜900℃に一旦下げ、再度加熱温度を950〜1020℃に昇温し、その温度で鋼塊を保持した後にその鋼塊を加熱炉より抽出して粗圧延し、900〜950℃の表面温度にて予め点火したホットスカーファーで表面を溶削し、続いて圧延終了温度を750〜850℃とする仕上圧延を行うことを特徴とする構造用鋼材の製造方法。
鋼塊が、質量％で、Ｃ：0.35〜0.50％、Si：0.5％以下、Mn：0.5〜1.5％、Ｐ：0.03％以下、Ｓ：0.05％以下、Cr：0.05〜0.3％、Ｖ：0.1〜0.2％、Al：0.1％以下およびＮ：0.02％以下を含み、残部がFeおよび不純物からなることを特徴とする請求項１に記載の構造用鋼材の製造方法。