JP2009280869A - 鋼材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】容易かつ低コストで鋼材が得られる製造方法の提供。
【解決手段】精錬、鋳造及び鍛伸により、鍛片が得られる。この鍛片が加熱炉８に投入され、加熱される。加熱により、鍛片はＡ_３点以上の温度に昇温される。この鍛片に、大型圧延機１０による熱間圧延がなされる。この圧延により、丸棒形状の成形品が得られる。この成形品が、冷却床１２において強制的に冷却される。成形品の表面が１００℃以上の状態で、この成形品が調質炉１４に装入される。この段階では、成形品の中心におけるマルテンサイト変態は完了していない。この調質炉１４において、成形品が加熱される。成形品が調質炉１４において徐冷され、丸棒鋼が得られる。
【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、鋼材の熱処理の改良に関する。

丸棒鋼の製造方法として、圧延による方法が広く知られている。この製造方法では、まず精錬、造塊、鍛伸等の工程を経て、鍛片（素材）が得られる。この鍛片に大型圧延機による圧延が施される。大型圧延機では、楕円形カリバーを備えたロールによる圧延及び円形カリバーを備えたロールによる圧延がなされる。この圧延によって鍛片が細径化し且つ長尺化して、丸棒状の成形品が得られる。

圧延直後の成形品の組織は、オーステナイトである。この成形品が冷却されることで、マルテンサイト変態が生じる。成形品の表面は冷却速度が速く、中心は冷却速度が遅い。冷却中の成形品には、温度分布が生じる。冷却により、まず表面でマルテンサイト変態が生じ、その後に中心でマルテンサイト変態が生じる。

マルテンサイト変態は、γ鉄からα鉄への変態である。マルテンサイト変態は、体積膨張を伴う。中心が膨張する段階では、表面はすでにα鉄であり、かつ表面の温度は低い。従って、中心の膨張を表面が吸収しきれず、変態割れが生じることがある。

圧延後の成形品が、徐冷されることがある。徐冷により、表面の冷却速度と中心の冷却速度との差が緩和される。徐冷により、変態割れが抑制されうる。ピットでの徐冷や、砂の中での徐冷がなされている。

特開２００１−１１５３０公報には、変態割れ防止の方法が開示されている。この方法では、熱間圧延後の成形品がボックスに収容される。このボックス内で、成形品が徐冷される。

徐冷の後、成形品が焼鈍しに供され、丸棒鋼が得られる。焼鈍しでは、成形品が炉に装入される。この炉の雰囲気が熱処理温度まで昇温させられる。雰囲気温度は、この熱処理温度に、所定時間維持される（均熱）。その後炉内が徐々に降温する。この焼鈍しにより、成形品の内部応力が除去される。焼鈍しにより、その後に鋼材になされる塑性加工及び切削加工における加工性が高められる。
特開２００１−１１５３０公報

ピット、砂及びボックスによる徐冷では、これらの設備のためのスペースが必要である。しかも、この徐冷により、丸棒鋼の製造時間が長くなる。さらに、徐冷された成形品を焼鈍しにて再加熱することは、エネルギーの無駄使いである。

本発明の目的は、容易かつ低コストで鋼材が得られる製造方法の提供にある。

本発明に係る鋼材の製造方法は、
（１）素材に熱間塑性加工を施して成形品を得る工程、
（２）この成形品を冷却する工程
及び
（３）この成形品の中心のＡ_３変態が完了する前に、この成形品を熱処理に供する工程
を含む。好ましくは、上記工程（２）において、成形品が冷却床で冷却される。

本発明に係る他の製造方法は、
（１）素材に熱間塑性加工を施して成形品を得る工程、
（２）この成形品を冷却する工程
及び
（３）この成形品の表面温度が１００℃以上である状態でこの成形品を熱処理に供し、鋼材を得る工程
を含む。好ましくは、上記工程（２）において、成形品が冷却床で冷却される。

本発明に係る製造方法では、変態割れが生じる前の段階で、成形品が熱処理に供される。この製造方法の歩留まりは高い。この製造方法では、熱間塑性加工後の冷却時間が短い。さらに、熱処理に要する熱量が少ないので、この製造方法では、エネルギーの無駄使いが省かれる。

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製造方法に用いられる設備が示された概念図である。この設備は、取鍋２、鋳造装置４、鍛伸機６、加熱炉８、大型圧延機１０、冷却床１２及び調質炉１４を備えている。

図２は、図１の製造設備による丸棒鋼の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、電気炉等で加熱された溶鋼が取鍋２に移され、この取鍋２において精錬される（ＳＴＥＰ１）。その後溶鋼は、鋳造装置４において塊状に鋳造される（ＳＴＥＰ２）。鋳造により、鋼塊が得られる。この工程は、造塊と称される。この鋼塊の鋼種としては、「ＪＩＳ Ｇ ４３０３」に規定されたマルテンサイト系ステンレス鋼、「ＪＩＳ Ｇ ４３１１」に規定されたマルテンサイト系耐熱鋼及び「ＪＩＳ Ｇ ４４０４」に規定された合金工具鋼が挙げられる。この鋼塊に、鍛伸機６による鍛伸がなされる（ＳＴＥＰ３）。鍛伸により、鍛片が得られる。鋼片の断面は、略矩形である。この鍛片は、本発明にいう「素材」である。

この鍛片が加熱炉８に装入され、加熱される（ＳＴＥＰ４）。加熱により、鍛片はＡ_３点以上の温度に昇温される。加熱された鍛片の組織は、オーステナイトである。この鍛片に、大型圧延機１０による熱間圧延がなされる（ＳＴＥＰ５）。大型圧延機１０は、第一ロール対及び第二ロール対を有している。第一ロール対及び第二ロール対のそれぞれは、カリバーを有している。第一ロール対のカリバーの形状は、楕円である。第二ロール対のカリバーの形状は、円である。第一ロール対及び第二ロール対による圧延により、丸棒形状の成形品が得られる。この圧延は、本発明にいう「熱間塑性加工」である。熱間圧延の直後の成形品の組織は、オーステナイトである。

熱間圧延（ＳＴＥＰ５）の直後の成形品は高温であり、ハンドリングには適さない。この成形品は、冷却床１２に搬送される。冷却床１２により、成形品が強制的に冷却される（ＳＴＥＰ６）。成形品が自然冷却されてもよいが、強制冷却の方が好ましい。強制冷却により、冷却時間が短縮される。強制冷却により、冷却スペースが少なくてすむ。冷却により、成形品がハンドリングに適した温度となる。

成形品が所定温度になった段階で、この成形品が調質炉１４に装入される。この調質炉１４において、成形品が加熱される（ＳＴＥＰ７）。加熱による成形品の到達温度は、例えば８７０℃である。成形品は、この温度に所定時間保持された後、調質炉１４において徐冷される（ＳＴＥＰ８）。加熱（ＳＴＥＰ７）から徐冷（ＳＴＥＰ８）までの処理は、焼鈍しである。焼鈍しにより、丸棒鋼（鋼材）が得られる。焼鈍しにより、鍛伸（ＳＴＥＰ３）及び熱間圧延（ＳＴＥＰ５）で生じた残留応力が除去される。焼戻しにより、その後の塑性加工及び切削加工が容易な丸棒鋼が得られる。丸棒鋼の組織は、マルテンサイトである。この丸棒鋼に、矯正、ピーリング等の処理がなされ、出荷される（ＳＴＥＰ９）。

強制冷却（ＳＴＥＰ６）により、Ａ_３変態（典型的にはマルテンサイト変態）が生じる。成形品の表面は中心よりも冷却速度が速いので、この表面にてマルテンサイト変態が生じる。表面でマルテンサイト変態が生じた段階では、中心の組織はオーステナイトである。さらなる冷却で、中心でもマルテンサイト変態が生じ始める。本発明に係る製造方法では、中心のマルテンサイト変態が完了する前に、成形品が加熱（ＳＴＥＰ７）される。換言すれば、変態による中心の膨張の程度が小さい段階で、成形品が再度昇温する。この製造方法では、変態割れが抑制される。

本発明に係る製造方法では、冷却（ＳＴＥＰ６）において成形品の表面温度が１００℃を下回る前に、この成形品が加熱（ＳＴＥＰ７）される。表面温度が１００℃以上である成形品では、中心のマルテンサイト変態が完了していない。しかも、中心のマルテンサイト変態がある程度進行していた場合でも、温度が高く従って変形能に優れる表面が、応力を緩和する。この製造方法では、変態割れが抑制される。

この製造方法では、加熱（ＳＴＥＰ７）が開始されるときの成形品の温度が高い。従って、この成形品が均熱温度に達するまでに使用される燃料の量が少ない。この製造方法により、省エネルギーが達成されうる。

本発明は、鋼種がマルテンサイト系鋼である鋼材の製造に、特に適している。本発明が適する鋼種としては、ＳＵＳ４２０Ｊ２、ＳＵＳ４４０Ｃ、ＳＫＤ１１、ＳＫＤ６１、ＳＵＨ３及びＳＵＨ１１が例示される。

以下、実施例によって本発明の効果が明らかにされる。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］
鋼種がＳＫＤ１１である鍛片を用意した。この鍛片を、１１００℃まで加熱した。この鍛片を大型圧延機にて圧延し、丸棒状の成形品を得た。圧延直後の成形品の温度は、８５０℃であった。この成形品を冷却床に搬送し、表面温度が１００℃になるまで冷却した。冷却の直後に、この成形品を調質炉に装入し、８７０℃、３６０分の条件で均熱した。その後に調質炉内でこの成形品を徐冷して、直径が１６７ｍｍである丸棒鋼を得た。１００本の丸棒鋼のうち、変態割れが生じたものの比率は、０％であった。

［比較例］
圧延直後の成形品を砂の中で、室温まで冷却した他は実施例と同様にして、丸棒鋼を得た。１００本の丸棒鋼のうち、変態割れが生じたものの比率は、４％であった。

この評価結果が、下記に示されている。

実施例 比較例
変態割れの比率（％） ０ ４
冷却時間（ｈ） ６ １２
冷却スペース 少ない 多い
エネルギー消費量 少ない 多い

この評価結果から、本発明の優位性は明らかである。

中心のＡ_３変態が完了する前の加熱は、焼鈍し以外の熱処理にも適している。中心のＡ_３変態が完了する前の加熱は、熱間鍛造、熱間押出等の種々の熱間塑性加工によって得られた成形品に適している。

図１は、本発明の一実施形態に係る方法に用いられる設備が示された概念図である。 図２は、図１の製造設備による丸棒鋼の製造方法が示されたフローチャートである。

符号の説明

２・・・取鍋
４・・・鋳造装置
６・・・鍛伸機
８・・・加熱炉
１０・・・大型圧延機
１２・・・冷却床
１４・・・調質炉

Claims (4)

1. 素材に熱間塑性加工を施して成形品を得る工程、
   この成形品を冷却する工程
   及び
   この成形品の中心のＡ_３変態が完了する前にこの成形品を熱処理に供し、鋼材を得る工程
   を含む鋼材の製造方法。
2. 上記成形品を冷却する工程が、冷却床でなされる請求項１に記載の製造方法。
3. 素材に熱間塑性加工を施して成形品を得る工程、
   この成形品を冷却する工程
   及び
   この成形品の表面温度が１００℃以上である状態でこの成形品を熱処理に供し、鋼材を得る工程
   を含む鋼材の製造方法。
4. 上記成形品を冷却する工程が、冷却床でなされる請求項３に記載の製造方法。

Images