JP2011006771A

JP2011006771A - 棒鋼移動焼入れ時の焼割れ防止冷却方法

Info

Publication number: JP2011006771A
Application number: JP2009159657A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sakai; 毅堺
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2009-07-06
Publication date: 2011-01-13

Abstract

【課題】長尺棒鋼の移動焼入れにおいて、焼割れを防止できる冷却方法を提供する。
【解決手段】長尺棒鋼の移動焼入れにおいて、鋼材中心温度がＭｓ点に到達するまでの時間ｔを遅らせることなく、鋼材中心温度がＭｓ点に到達した時の鋼材表面温度を極力高くなるように、鋼材中心温度がＭｓ点に到達する前の冷却時間ｔｃを設定することを特徴とする棒鋼移動焼入れ時の焼割れ防止冷却方法。また、上記鋼材中心温度がＭｓ点に到達するまでの時間ｔを遅らせることなくとは、鋼材表面温度の復熱を最大に利用するための冷却時間ｔｃであることを特徴とする棒鋼移動焼入れ時の焼割れ防止冷却方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、長尺棒鋼の移動焼入れ方法に関し、特に焼割れを防止できる長尺棒鋼の移動焼入れ方法に関する。

長尺棒鋼の焼入れにおいては、鋼材を搬送しながら加熱炉あるいは誘導加熱装置で所定の温度まで加熱後、鋼材を冷却剤の中に浸漬、または、鋼材に冷却剤を噴射することにより鋼材を急冷する方法が用いられている。これらの方法は、鋼材を移動させながら加熱および冷却するため、移動焼入れと呼ばれている。この鋼材を焼入れる場合に発生する問題の一つに焼割れがある。

鋼材を焼き入れる場合、冷却剤に直接冷却される鋼材表面と熱伝導により温度低下する鋼材中心に温度差が発生する。冷却速度の速い鋼材表面からマルテンサイト変態が始まり、鋼材中心でマルテンサイト変態が発生する時点では、鋼材表面のマルテンサイト変態は完了している。鋼材中心がマルテンサイト変態により膨張したときに、焼入れが完了して温度が室温程度まで低下している鋼材表面に引張応力が発生し、場合によっては焼割れが発生する。したがって、焼割れを防止するには、鋼材中心部の急速なマルテンサイト変態の進行によって、歪みの残る硬い鋼材表面に大きな引張応力が発生するのを防止する必要がある。

従来の長尺棒鋼の焼入れ方法には、例えば特開平７−４８６２０号公報（特許文献１）に示されているような方法がある。特許文献１は、冷却剤を噴射する環状装置内を通過するよう長尺棒鋼を移動させ、噴射された冷却剤が鋼材表面を被覆することにより、鋼材を連続的に焼入れている。しかし、この方法では、噴射された冷却剤の挙動を制御していないため、鋼材の冷却速度を制御できない欠点がある。そのため、焼入れ性の良い鋼材を焼入れた場合、焼割れが発生することがあった。
特開平７−４８６２０号公報

本発明が解決しようとする課題は、長尺棒鋼の移動焼入れにおいて、焼割れを防止できる冷却方法を提供することである。

本発明では、鋼材中心温度がＭｓ点に到達するまでの時間を遅らせることなく、鋼材中心温度がＭｓ点に到達したときの鋼材表面温度が極力高くなるように、鋼材中心温度がＭｓ点に到達する前に冷却を終了させる。冷却中止後は、鋼材中心から鋼材表面への熱伝導が起こり、鋼材表面は自己焼戻しによりマルテンサイト変態による歪みが低減され、また、鋼材中心の冷却速度は低下してマルテンサイト変態が段階的に進行する。これにより、鋼材中心部の急速なマルテンサイト変態の進行によって、歪みの残る鋼材表面に大きな引張応力が発生するのを防止することにある。

その発明の要旨とするところは
（１）長尺棒鋼の移動焼入れにおいて、鋼材中心温度がＭｓ点に到達するまでの時間ｔを遅らせることなく、鋼材中心温度がＭｓ点に到達した時の鋼材表面温度を極力高くなるように、鋼材中心温度がＭｓ点に到達する前の冷却時間ｔｃを設定することを特徴とする棒鋼移動焼入れ時の焼割れ防止冷却方法。
ただし、Ｍｓ点はマルテンサイト変態開始点を示す。

（２）前記（１）に記載の鋼材中心温度がＭｓ点に到達するまでの時間ｔを遅らせることなくとは、鋼材表面温度の復熱を最大に利用するための冷却時間ｔｃであることを特徴とする棒鋼移動焼入れ時の焼割れ防止冷却方法。
（３）前記（１）に記載の冷却時間ｔｃを設定することにより、鋼材表面温度の上昇により、該鋼材表面での自己焼戻しを生じさせることを特徴とする棒鋼移動焼入れ時の焼割れ防止冷却方法にある。

（４）軸受鋼および機械構造用鋼の長尺棒鋼の移動焼入れにおいて、鋼材中心がＭｓ点に到達する前に冷却を終了し、鋼材中心を焼入れ温度からＭｓ点まで６℃／ｓ〜５０℃／ｓの速度で冷却し、鋼材表面をマルテンサイト変態温度域（Ｍｓ点からＭｆ点）に復熱させることを特徴とする棒鋼移動焼入れ時の焼割れ防止冷却方法。
（５）質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％からなる鋼の長尺棒鋼の移動焼入れにおいて、鋼材中心がＭｓ点に到達する前に冷却を終了し、鋼材中心を焼入れ温度からＭｓ点まで６℃／ｓ〜５０℃／ｓの速度で冷却し、鋼材表面をマルテンサイト変態温度域（Ｍｓ点からＭｆ点）に復熱させることを特徴とする棒鋼移動焼入れ時の焼割れ防止冷却方法にある。

以上述べたように、本発明による鋼材中心温度がＭｓ点に到達するまでの時間を遅らせることなく、鋼材中心温度がＭｓ点に到達したときの鋼材表面温度ができるだけ高くなるように、鋼材中心温度がＭｓ点に到達する前に冷却を終了させることにより、冷却中止後は、鋼材中心から鋼材表面への熱伝導が起こり、鋼材表面は自己焼戻しによりマルテンサイト変態による歪みが低減され、また、鋼材中心の冷却速度は低下してマルテンサイト変態が段階的に進行する。これにより、鋼材中心部の急速なマルテンサイト変態の進行によって、歪みの残る鋼材表面に大きな引張応力が発生するのを防止できる。

以下、図１および図２を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明における移動焼入れ装置の断面図である。所定の温度に加熱した鋼材１を搬送ローラー６により冷却剤噴射ジャケット４を通過させ、冷却剤噴射ジャケット４から噴射された冷却剤５が鋼材１に衝突して鋼材進行方向にぬれ広がり鋼材１を焼入れる。冷却剤がぬれ広がる進行方向には冷却剤噴射ジャケット２が設置されており、冷却剤３を噴射することにより冷却剤のぬれ広がりを止めることができる。この冷却剤噴射ジャケット２の位置は自由に調整できるため、冷却剤が鋼材表面を被覆する鋼材軸方向距離を任意に制御できる。

図２は、本発明の方法により長尺棒鋼を焼入れた場合の鋼材表面および鋼材中心の冷却曲線の模式図である。冷却開始後すぐに、鋼材表面温度はＭｓ点に到達しマルテンサイト変態が完了する。その後、鋼材中心温度がＭｓ点に到達する前の冷却時間ｔｃが経過した時点で冷却を終了させることにより、鋼材中心から鋼材表面への熱伝導が起こり、鋼材中心温度が低下し、鋼材表面温度が上昇する。そして、冷却開始から時間ｔ経過した時に鋼材中心温度がＭｓ点に到達しマルテンサイト変態が始まり、その時の鋼材表面温度はＴまで上昇している。この温度上昇により、鋼材表面では自己焼戻しが起こり、マルテンサイト変態による歪みが軽減される。

また、鋼材中心の温度低下はＭｓ点以降ゆるやかになり、マルテンサイト変態が段階的に進行するため、鋼材中心の急速なマルテンサイト変態進行による鋼材表面での大きな引張応力発生を防止できる。冷却時間ｔｃの設定値については、予め熱電対を装入した鋼材を使用して、焼入れ時の鋼材温度履歴をｔｃ毎に実測した結果をもとに、最適なｔｃを設定した。その結果、冷却時間を４７ｓ以下となると、鋼材中心がＭｓ点に到達したときの鋼材表面温度Ｔが高いが、鋼材中心がＭｓ点に到達するまでの時間ｔが大幅に遅れ、鋼材に十分な焼を入れることができない。また、６５ｓ以上となると鋼材中心がＭｓ点に到達したときの鋼材表面温度Ｔが低く、焼割れが発生した。したがって、その範囲を４８〜６５ｓ未満とした。

鋼材中心を焼入れ温度からＭｓ点まで６℃／ｓ〜５０℃／ｓの速度で冷却し、鋼材表面をマルテンサイト変態温度域（Ｍｓ点からＭｆ点）に復熱させることにある。６℃／ｓ未満での冷却速度では、鋼材中心部の急速なマルテンサイト変態の進行によって、歪みの残る鋼材表面に大きな引張応力が発生するのを防止することができない。また、５０℃／ｓを超えるのは設備設計上困難であることから、その冷却速度を６℃／ｓ〜５０℃／ｓとする。好ましくは、１５℃／ｓ〜４０℃／ｓとする。

鋼種として、質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％からなる機械構造用鋼とした理由は、０．２０％未満では、十分な焼入れ効果を得ることができない。また、０．５０％を超える高い鋼種は、焼入れ性が高いため、本方法を適用しても焼割れが発生することから、その範囲を０．２０〜０．５０％とする。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。本実施例では、鋼材として径：７０ｍｍ×長さ：５０００ｍｍのＳＣＭ４３５（Ｃ：０．３３〜０．３８％）を用いた。この場合、冷却剤噴射装置には、鋼材表面に対して４５°の角度で冷却剤を噴射できる径：３ｍｍのノズルが鋼材進行方向側に周方向１０°間隔に３６個配置された内径：１１０ｍｍの環状ジャケットを使用した。８５０℃に加熱した鋼材に２０℃の水を１０ｍ³／ｈｒの流量で噴射した。また、冷却剤ぬれ広がり方向に設置した冷却剤噴射ジャケット２の位置を調整し、冷却剤が鋼材表面を被覆する鋼材軸方向距離を２００〜５００ｍｍの範囲で変えることにより冷却時間を数水準設定した。ここで、冷却剤が鋼材表面を被覆する鋼材軸方向距離を２００〜５００ｍｍの範囲とした理由は、２００ｍｍより短くすると、冷却時間が短くなりすぎて焼きが入らない。また、５００ｍｍより長くすると、冷却時間が長くなりすぎて鋼材が完全に冷却され、焼割れが発生するからである。そして、鋼材中心がＭｓ点に到達するまでの時間ｔ、鋼材中心がＭｓ点に到達したときの鋼材表面温度Ｔを調査した。その結果を表１に示す。

また、鋼種をＣ含有量で区分し、その各鋼種のＣ含有量と冷却時間ｔｃ（ｓ）、冷却速度Ｖｃ（℃／ｓ）との条件による焼割れ発生状況の結果を表２に示す。なお、表１、表２に示す焼割れ発生状況については、焼割れが発生しなかった場合は○、焼割れが発生した場合は×、十分に焼きが入らなかった場合は□で各々評価した。

表１に示すように、Ｎｏ．１〜６は本発明例であり、Ｎｏ．７〜１０は比較例である。

表１に示すように、冷却時間ｔｃ、鋼材中心がＭｓ点に到達するまでの時間ｔおよび鋼材中心がＭｓ点に到達したときの鋼材表面温度Ｔをそれぞれ示す。これから分かるように、鋼材中心がＭｓ点に到達したときの鋼材表面温度Ｔを最大にすることにより、その棒鋼移動焼入れ時の焼割れを防止することが出来る。これに対し、比較例Ｎｏ．７〜９は、冷却時間ｔｃが長いため、鋼材中心がＭｓ点に到達するまでの時間ｔは遅れていないが、鋼材中心がＭｓ点に到達したときの鋼材表面温度Ｔが低く、その結果、焼割れが発生した。

また、比較例Ｎｏ．１０は、冷却時間ｔｃが短いため、鋼材中心がＭｓ点に到達したときの鋼材表面温度Ｔが高いが、鋼材中心がＭｓ点に到達するまでの時間ｔが大幅に遅れ、その結果、鋼材に十分な焼きを入れることができなかった。これに対し、本願発明例Ｎｏ．１〜６は、いずれも本発明の条件を満たしていることから、焼割れの発生のないことが分かる。

表２に示すように、Ｎｏ．１〜１０は本発明例であり、Ｎｏ．１１〜２０は比較例である。

比較例Ｎｏ．１１は鋼種のＣ含有量が０．６０％と高く、冷却時間が２０ｓと短く、かつ、冷却速度が１．０℃／ｓと遅いために、焼割れが多発した。比較例Ｎｏ．１２は比較例Ｎｏ．１１と同様に、鋼種のＣ含有量が０．６０％と高く、かつ冷却時間が２５ｓと短く、かつ冷却速度が３．１℃／ｓと遅いために、焼割れが多発した。比較例Ｎｏ．１３は鋼種のＣ含有量が高いために、焼入れ性が高くなり、本方法を適用しても焼割れが発生した。

比較例Ｎｏ．１４は鋼種のＣ含有量が低く、この鋼種は通常の焼入れ、焼戻し状態で使用されない。比較例Ｎｏ．１５は鋼種のＣ含有量が低いために、通常の焼入れ、焼戻し状態では使用されない。比較例Ｎｏ．１６または１７は比較例Ｎｏ．１４、１５と同様に、鋼種のＣ含有量が低く、冷却速度も低いために、通常の焼入れ、焼戻し状態では使用されない。比較例Ｎｏ．１８または１９は鋼種のＣ含有量が高いために、焼割れが発生した。比較例Ｎｏ．２０は鋼種のＣ含有量が高く、かつ冷却時間が長いために、焼割れが多発した。これに対し、本発明例Ｎｏ．１〜１０は、いずれも本発明の条件を満たしていることから、焼割れ発生の生じないことが分かる。

以上説明したように、マルテンサイト変態の起こる鋼材であって、質量％で、０．２０〜０．５０％からなる鋼であれば、鋼材の径、厚さに影響するものであるので、鋼材中心がＭｓ点に到達するまでの時間ｔ、冷却時間ｔｃおよび鋼材中心がＭｓ点に到達したときの鋼材表面温度Ｔ等はそれぞれ変わるものであるが、基本的な発明には変わりはなく、適用可能である。

本発明における移動焼入れ装置の断面図である。本発明を採用した場合の鋼材表面および中心の冷却曲線を示す模式図である。

１鋼材
２、４冷却剤噴射ジャケット
３、５冷却剤
６搬送ローラー

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

長尺棒鋼の移動焼入れにおいて、鋼材中心温度がＭｓ点に到達するまでの時間ｔを遅らせることなく、鋼材中心温度がＭｓ点に到達した時の鋼材表面温度を極力高くなるように、鋼材中心温度がＭｓ点に到達する前の冷却時間ｔｃを設定することを特徴とする棒鋼移動焼入れ時の焼割れ防止冷却方法。
ただし、Ｍｓ点はマルテンサイト変態開始点を示す。
請求項１に記載の鋼材中心温度がＭｓ点に到達するまでの時間ｔを遅らせることなくとは、鋼材表面温度の復熱を最大に利用するための冷却時間ｔｃであることを特徴とする棒鋼移動焼入れ時の焼割れ防止冷却方法。
請求項１に記載の冷却時間ｔｃを設定することにより、鋼材表面温度の上昇により、該鋼材表面での自己焼戻しを生じさせることを特徴とする棒鋼移動焼入れ時の焼割れ防止冷却方法。
軸受鋼および機械構造用鋼の長尺棒鋼の移動焼入れにおいて、鋼材中心がＭｓ点に到達する前に冷却を終了し、鋼材中心を焼入れ温度からＭｓ点まで６℃／ｓから５０℃／ｓの速度で冷却し、鋼材表面をマルテンサイト変態温度域（Ｍｓ点からＭｆ点）に復熱させることを特徴とする棒鋼移動焼入れ時の焼割れ防止冷却方法。
質量％で、Ｃ：０．２０〜０．５０％からなる鋼の長尺棒鋼の移動焼入れにおいて、鋼材中心がＭｓ点に到達する前に冷却を終了し、鋼材中心を焼入れ温度からＭｓ点まで６℃／ｓ〜５０℃／ｓの速度で冷却し、鋼材表面をマルテンサイト変態温度域（Ｍｓ点からＭｆ点）に復熱させることを特徴とする棒鋼移動焼入れ時の焼割れ防止冷却方法。