JP2012153981A - 長尺鋼材の焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な熱処理設備で、長尺の鋼材における周方向の焼入れ硬さの均一化を達成する方法の提供である。
【解決手段】この焼入れ方法は、長尺の鋼材８を加熱する工程と、加熱された鋼材８を搬送しつつ、この鋼材８に冷却剤を噴射して冷却する工程と、を含む。この冷却剤の噴射速度Ｖが１ｍ／ｓを超え３０ｍ／ｓ以下であり、噴射角度θが５°以上３５°以下である。好ましくは、冷却剤の噴射速度Ｖが１ｍ／ｓを超え１０ｍ／ｓ以下であり、噴射角度θが１５°以上３５°以下である。好ましくは、冷却剤の噴射速度Ｖが１０ｍ／ｓを超え２０ｍ／ｓ以下であり、噴射角度θが１０°以上３０°以下である。好ましくは、冷却剤の噴射速度Ｖが２０ｍ／ｓを超え３０ｍ／ｓ以下であり、噴射角度θが５°以上２５°以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、長尺の鋼材の焼入れ方法に関する。詳細には、本発明は、長尺の鋼材を移動させつつ焼入れするための冷却方法に関する。

長尺の鋼材の例として、棒鋼、鋼製の線材、鋼管及び形鋼がある。長尺の鋼材はその使用目的により焼入れ処理されている。長尺の鋼材では、全長にわたって一度に焼入れすることは困難である。長尺の鋼材は、長手方向に沿って部分焼入れを繰り返されて全体を焼入れされている。

長尺の鋼材の焼入れ方法が特開平７−４８６２０号公報に記載されている。この公報では、鋼材が高周波加熱コイル内を通されて加熱昇温されている。昇温された鋼材は複合ジャケット内を通されている。この鋼材は複合ジャケットから冷却液を噴射されて、冷却されている。この加熱昇温と冷却とで鋼材が焼入れされている。この焼入れ方法では鋼材は回転させられつつ、焼入れされている。

特開平７−４８６２０号公報

上記の焼入れ方法では、長尺の鋼材が長手方向に沿って部分焼入れを繰り返されている。この様な焼入れ方法では、周方向の焼入れ硬さのばらつきが発生しやすい。本発明の発明者は、種々の焼入れ条件を鋭意検討し、周方向の焼入れ硬さの均一化を達成できる本発明に至った。

本発明の目的は、安価な熱処理設備で、長尺の鋼材における周方向の焼入れ硬さの均一化を達成する方法の提供にある。

本発明に係る長尺の鋼材の焼入れ方法は、
長尺の鋼材を加熱する工程と、加熱された鋼材を搬送しつつ、この鋼材に冷却剤を噴射して冷却する工程と、を含む。この冷却剤の噴射速度は１ｍ／ｓを超え３０ｍ／ｓ以下であり、噴射角度は５°以上３５°以下である。

好ましくは、上記冷却剤の噴射速度は１ｍ／ｓを超え１０ｍ／ｓ以下であり、噴射角度は１５°以上３５°以下である。好ましくは、上記冷却剤の噴射速度は１０ｍ／ｓを超え２０ｍ／ｓ以下であり、噴射角度は１０°以上３０°以下である。好ましくは、上記冷却剤の噴射速度は２０ｍ／ｓを超え３０ｍ／ｓ以下であり、噴射角度は５°以上２５°以下である。

本発明に係る熱処理方法では、周方向の焼入れ硬さのばらつきが抑制されている。本発明に係る熱処理方法は設備費が安価である。

図１は、本発明の一実施形態に係る熱処理方法に使用する熱処理装置が示された概念図である。 図２（ａ）は図１の冷却ジャケットの側面図であり、図２（ｂ）は図１の冷却ジャケットの正面図である。 図３（ａ）は噴射角度が比較的に大きい冷却水が鋼材の表面に噴射されている様子を示す概念図であり、図３（ｂ）は噴射角度が比較的に小さい冷却水が鋼材の表面に噴射されている様子を示す概念図である。 図４は、図１の実施形態で焼入れされた棒鋼の硬さ測定箇所を示す図である。

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焼入れ方法に使用する熱処理装置２が示された概念図である。この熱処理装置２は、加熱炉４及び冷却ジャケット６を備えている。この図１では、長尺の鋼材８がこの熱処理装置２に通されている。この加熱炉４は連続炉であるがバッチ炉であってもよい。加熱炉４は誘導加熱コイルであってもよい。

図２（ａ）は、図１の冷却ジャケット６の側面断面図である。図２（ｂ）は図１の冷却ジャケット６の正面図である。この冷却ジャケット６は本体１０、供給管１２及び噴射部１４を備えている。

本体１０は、中央部に通過孔１６が形成されたリング形状である。直線Ｌ１は通過孔１６の軸線である。通過孔１６の軸線は鋼材８の送られる方向に一致している。矢印Ａは鋼材８の送られる向きである。本体１０には供給管１２が挿入固定されている。４本の供給管１２は本体１０の外周面に周方向に均等に配置されている。この供給管は４本より多くとも少なくともよい。本体１０は側面と内周面との境界部に円周方向に亘って開口を備えている。この開口に噴射部１４が取り付けられている。供給管１２及び噴射部１４と本体１０との間は液漏れがないように密封されている。本体１０と噴射部１４とにより冷却ジャケット６の内部に空洞１８が形成されている。

噴射部１４は噴射孔２０を備えている。この噴射孔２０は噴射部１４の円周方向に形成されている。３６箇所の噴射孔２０が等間隔で形成されている。この噴射孔２０は３６箇所に限られない。噴射孔２０はこれより多くともよいし、少なくともよい。３６箇所の噴射孔２０は直線Ｌ１上の一点に向かって形成されている。直線Ｌ２は噴射孔２０の軸線である。この直線Ｌ２と直線Ｌ１との成す角度が噴射角度θである。この噴射角度θは、直線Ｌ１に対する直線Ｌ２の傾きを表す。この噴射角度θは直線Ｌ１上で鋼材８が送られる進行方向後方を０°とし、進行方向前方を１８０°としている。

図２が参照されつつ、冷却ジャケット６による冷却機能が説明される。供給管１２により冷却水が空洞１８に充填されている。この冷却水に代えて冷却油が用いられてもよい。充填された冷却水は、噴射孔２０から直線Ｌ２に沿って噴射される。冷却水は噴射角度θで噴射される。

この冷却ジャケット６の冷却水の噴射速度Ｖは以下の式で算出される。
Ｖ ＝ Ｑ ／ （Ｎ・Ｓ）
Ｑは冷却水の供給流量である。Ｎは噴射孔２０の数である。Ｓは噴射孔２０の孔面積である。冷却ジャケット６の冷却水の噴射速度Ｖは、供給流量Ｑ、噴射孔数Ｎ及び噴射孔面積Ｓに基づいて容易に制御される。

図１及び図２が参照されつつ、図１の熱処理装置による焼入れ方法について説明される。鋼材８は水平方向に支持されている。鋼材８は、図示しない搬送装置により、加熱炉４及び冷却ジャケット６へ通される。鋼材８は水平方向に支持されて搬送されつつ、加熱昇温され冷却されて焼入れされている。

鋼材８は、加熱炉４に送られて加熱される。鋼材８は、この加熱によりオーステナイト変態開始点（Ａ３点）以上に昇温される。

昇温された鋼材８は、冷却ジャケット６へ送られる。鋼材８は通過孔１６を通されている。鋼材８は、この冷却ジャケット６により噴射速度Ｖ及び噴射角度θで冷却水を噴射されている。

図３は、図２の冷却ジャケット６により冷却水が鋼材８の表面に噴射されている様子を示す概念図である。冷却水が鋼材８の表面に噴射角度θで衝突している。図３（ａ）は噴射角度θが比較的に大きい冷却水が鋼材８に噴射されている様子を示す概念図である。図３（ｂ）は噴射角度θが比較的に小さい冷却水が鋼材８に噴射されている様子を示す概念図である。図３に示す範囲Ｌは噴射された冷却水が鋼材８の表面を流れる範囲である。冷却水はこの冷却範囲を流れながら鋼材８を冷却する。この冷却水の一部は蒸発し、残りは鋼材の下方へ流れ落ちる。この冷却水により急冷され、鋼材８はマルテンサイト変態を生じる。鋼材８が焼入れされる。

噴射速度Ｖが速い冷却水は、鋼材８の表面からの跳ね返り量が多くなりやすい。噴射角度θが小さくされることにより、この冷却水の跳ね返り量が少なくされている。噴射角度θが小さい冷却水は、その噴射角度を僅かに変えても冷却範囲が大きくずれる。噴射角度θが小さい冷却水は冷却範囲が周方向でばらつきやすい。この観点から噴射速度Ｖは３０ｍ／ｓ以下とされ、噴射角度θは５°以上とされている。

噴射速度Ｖが遅い冷却水は、空気抵抗と重力との影響を受けて鋼材８の表面における衝突位置と衝突角度とがばらつきやすい。鋼材８の周方向で冷却範囲がばらつきやすい。鋼材８の周方向の焼入れの均一性が阻害される。この観点から噴射速度Ｖは１ｍ／ｓを超える速度としている。噴射速度Ｖが１ｍ／ｓを超えることで、冷却ジャケット６の噴射角度θにより冷却水と鋼材８との衝突角度が制御されうる。

噴射角度θが大きい冷却水は、噴射角度θが小さい冷却水に比べ、冷却範囲が狭い。この冷却水は鋼材８の表面の単位面積当たりの量が多い。単位面積当たりの量が多い冷却水はその一部がしたたり落ちやすい。噴射角度θが大きい冷却水は鋼材８の表面からの跳ね返り量が多くなりやすい。したたり落ちた冷却水や跳ね返った冷却水は、鋼材８への冷却に寄与しない。この観点から噴射角度θは３５°以下とされている。

噴射角度θが大きい冷却水は、鋼材８の冷却位置の調整が容易である。一方で、噴射角度θが大きい冷却水は跳ね返り量及びしたたり量が多くなりやすい。これらの量は、噴射速度Ｖが速い冷却水で多い。この観点から、噴射速度Ｖが１ｍ／ｓを超え１０ｍ／ｓ以下では、噴射角度θは好ましくは３５°以下であり、より好ましくは３０°以下である。噴射速度Ｖが１０ｍ／ｓを超え２０ｍ／ｓ以下では、噴射角度θは好ましくは３０°以下であり、より好ましくは２５°以下である。噴射速度Ｖが２０ｍ／ｓを超え３０ｍ／ｓ以下では、噴射角度θは好ましくは２５°以下であり、より好ましくは２０°以下である。

噴射角度θが小さい冷却水は、跳ね返り量及びしたたり量がすくない。一方で、噴射角度θが小さい冷却水は鋼材８の冷却位置の調整が難しい。冷却水の跳ね返り量やしたたり量は噴射速度Ｖが速い冷却水で多い。この観点から、噴射速度Ｖが１ｍ／ｓを超え１０ｍ／ｓ以下では、噴射角度θは好ましくは１５°以上であり、より好ましくは２０°以上である。噴射速度Ｖが１０ｍ／ｓを超え２０ｍ／ｓ以下では、噴射角度θは好ましくは１０°以上であり、より好ましくは１５°以上である。噴射速度Ｖが２０ｍ／ｓを超え３０ｍ／ｓ以下では、噴射角度θは好ましくは５°以上であり、より好ましくは１０°以上である。

この鋼材８は搬送装置により搬送されつつ、冷却ジャケット６により冷却されている。搬送速度が遅い鋼材８では生産性が低下する。搬送速度が速い鋼材８では軸方向の焼入れ硬さのばらつきが大きくなる。この観点から、この焼入れ方法では搬送速度は５ｍｍ／ｓ以上２０ｍｍ／ｓ以下に設定されている。

この熱処理装置２では、鋼材８は周方向に回転させられずに送られている。この実施形態では鋼材８が周方向に回転させられていないが、搬送装置により回転させられていてもよい。鋼材８は回転させられつつ冷却されることにより、周方向の焼入れ硬さがより均一になる。

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］
焼入れ試料として棒鋼（ＳＣＭ４３５）が準備された。この棒鋼の外径は７０ｍｍであり、長さは６０００ｍｍである。この棒鋼は図１に示した加熱炉と冷却ジャケットとにより焼入れされた。棒鋼は、加熱炉で８５０°Ｃに昇温された後、６ｍｍ／ｓで搬送されつつ、冷却ジャケットで冷却された。この冷却水は２０°Ｃである。

棒鋼は冷却水の噴射速度Ｖを１５ｍ／ｓとされ噴射角度θを２０°とされて焼入れされて、実施例１の棒鋼が得られた。実施例１の棒鋼は長手方向中央付近の任意の断面で切断された。この切断された棒鋼が実施例１の硬さ測定試験片である。

この硬さ測定試験片の周方向硬さのばらつきが測定された。硬さ測定はロックウェル硬さ試験（Ｃスケール）で実施された。図４は、硬さ測定試験片の硬さ測定箇所を示す図である。硬さ測定箇所は、表面直下５ｍｍの円周上、即ち直径６０ｍｍの円周上で４５°の等間隔に任意の８箇所である。この８箇所の硬さの最大値と最小値との差が周方向硬さのばらつきである。

［実施例２から２４］
棒鋼は表１から３に示された冷却水の噴射速度Ｖと噴射角度θとの組み合わせ条件で焼入れされた。その他の熱処理条件は実施例１と同じにされて、実施例２から２４の棒鋼が得られた。実施例２から２４の棒鋼は実施例１と同じ方法で硬さばらつきが測定された。

［比較例１から８］
棒鋼は表１から３に示された冷却水の噴射速度Ｖと噴射角度θとの組み合わせ条件で焼入れされた。その他の熱処理条件は実施例１と同じにされて、比較例１から８の棒鋼が得られた。比較例１から８の棒鋼は実施例１と同じ方法で硬さばらつきが測定された。

［評価］
比較例１を基準にして、実施例１から２４及び比較例２から８の硬さばらつきが評価された。比較例１の硬さばらつきを１とし、これに対する実施例又は他の比較例の硬さばらつきの比が求められた。この比が小さいほど硬さばらつきが小さい。この比が０．５未満は「Ａ」とされ、０．５以上０．８未満は「Ｂ」とされ、０．８以上１．０未満は「Ｃ」と評価された。焼入れ硬さが規格を満たさないものは「×」と評価された。この結果が、下記の表１から３に示されている。

表１から３に示されているように、この実施例に示す熱処理方法では、焼入れ硬さのばらつきが小さくなっている。この評価結果から本発明の有意性は明らかである。

本発明は、種々の長尺の鋼材の焼入れ方法として適用されうる。

２・・・熱処理装置
４・・・加熱炉
６・・・冷却ジャケット
８・・・鋼材
１０・・・本体
１２・・・供給管
１４・・・噴射部
１６・・・通過孔
１８・・・空洞
２０・・・噴射孔

Claims (1)

1. 長尺の鋼材を加熱する工程と、
   加熱された鋼材を搬送しつつ、この鋼材に冷却水を噴射して冷却する工程と、を含み、
   この搬送の速度が５ｍｍ/s以上２０ｍｍ/s以下であり、
   この鋼材の断面が円形であり、
   この冷却する工程では、円周方向に等間隔に形成されている噴射孔から冷却水が噴射されて、冷却水が鋼材の表面を流れる冷却範囲が形成されており
   この冷却水の噴射速度が２０ｍ／ｓを超え３０ｍ／ｓ以下であり、噴射角度θが５°以上２５°以下である鋼材の焼入れ方法。

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