JP2015205305A - リングの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】軟質化のための熱処理を省略することが可能であり、しかも、浸炭時における異常粒成長を抑制することが可能なリングの製造方法を提供すること。
【解決手段】肌焼き鋼からなる中空円筒状の鋼材を、前記鋼材の再結晶温度（Ｔ_rc（℃））＋５０℃以上１１００℃以下の温度に加熱する。次いで、加熱された前記鋼材を、拡径率：１３０％以上４００％以下、加工終止温度：Ｔ_rc（℃）以上１０００℃以下の条件下においてリングロール圧延を行い、リングを得る。さらに、７５０℃から６００℃までの温度区間の平均冷却速度が０．１℃／ｓ以上１．０℃／ｓ以下となるように、圧延終了後の前記リングを冷却する。冷却後に、前記リングを浸炭処理しても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、リングの製造方法に関し、さらに詳しくは、中空円筒状の素材の外周面及び内周面をロールで圧延し、大口径のリングを得るリングの製造方法に関する。

大口径のリングを製造する方法として、リングロール圧延法が知られている。「リングロール圧延法」とは、小口径のリング状又は中空円筒状の素材を作製し、素材の外周面及び内周面をロールで圧延し、素材の肉厚を減少させながら素材の内径及び外径を拡大させる塑性加工法をいう。リングロール圧延法は、ギア、リングギア、フランジ、スリーブなどの製造に用いられている。

従来、リングロール圧延は、冷間もしくは熱間で行うのが一般的である。圧延されたリングは、通常、所望の形状に仕上げるための機械加工が施される。そのため、冷間圧延されたリングは加工硬化するため、軟化熱処理を行う必要がある。また、リングに耐摩耗性が要求される場合には、機械加工後に浸炭処理が行われる場合もある。しかしながら、冷間加工材を軟化させるためには、通常、長時間の熱処理が必要となる。
一方、熱間で圧延を行うと、加工硬化は生じないため、軟化熱処理を省略できる可能性がある。しかしながら、熱間で圧延を行う場合において、圧延条件が不適切であるときには、材料組成、素材の形状、用途などに応じて、種々の問題が生ずることがある。

そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、リングロール圧延ではないが、
（１）所定量のＳ、Ｔｅ及びＳｅを含む機械構造用鋼を７００℃以上１０００℃以下の温度で仕上げ圧延し、
（２）５００℃以上７００℃以下の温度まで０．１℃／秒以上５℃／秒未満の範囲の冷却速度で冷却し、
（３）その後直ちに６５０℃以上７５０℃以下の炉雰囲気温度に１５分以上９０分以下保持し、その後放冷する
機械構造用鋼の製造方法が開示されている。
同文献には、機械構造用鋼からなる熱間圧延材を制御冷却により軟質化する場合において、鋼材中に所定量のＳ、Ｔｅ及びＳｅを添加すると、制御冷却時における脱炭を抑制できる点が記載されている。

特許文献２には、リングロール圧延ではないが、
（１）線材を熱間圧延し、圧延直後の温度を１１００℃以下とした後、その線材の長手方向温度分布が先頭部及び後尾部で５０℃以上高温になるように調整し、
（２）レーイング式巻取機で巻き取ってリング密度を１５０〜５００本／ｍにしてコンベア上に展開し、
（３）温度Ｔ₁（５５０℃≦Ｔ₁≦８５０℃）になるまで放冷し、
（４）０．０５〜２℃／秒の冷却速度で温度Ｔ₂（５００≦Ｔ₂≦６４０℃）まで冷却し、その後放冷する
熱間圧延線材の直接軟化方法が開示されている。
同文献には、冷却時に線材の先頭部及び後尾部の温度を高くすると、線材全体を均一に軟化できる点が記載されている。

さらに、特許文献３には、リングロール圧延ではないが、最終パス圧延における減面率を４〜１５％とし、最終パス圧延終了後の圧延材の表面温度の最高値を９２０〜１０５０℃とする機械構造用鋼の製造方法が開示されている。
同文献には、最終パス圧延時に軽圧下を行うと結晶粒が粗粒化するため、表層部での縞状組織の形成を防止できる点が記載されている。

特許文献１〜３に記載されているように、仕上げ温度と冷却速度を制御すると、熱間圧延後の軟質化焼鈍を省略できる場合がある。しかしながら、従来の熱間圧延方法をリングロール圧延に適用し、熱間圧延後にリングに浸炭処理を施すと、一部の結晶粒のみが巨大化する異常粒成長が起こる。異常粒成長は、熱処理歪の増大や、衝撃特性の低下の原因となる。また、単に材料を軟化させるだけでなく、異常粒成長を抑制することが可能なリングロール圧延法が提案された例は、従来にはない。

特開２００４−２５０７６８号公報 特開平１０−３３０８４７号公報 特開平０６−１９２７２６号公報

本発明が解決しようとする課題は、軟質化のための熱処理を省略することが可能なリングの製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、追加の熱処理を行うことなく、浸炭時における異常粒成長を抑制することが可能なリングの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るリングの製造方法は、
肌焼き鋼からなる中空円筒状の鋼材を、前記鋼材の再結晶温度（Ｔ_rc（℃））＋５０℃以上１１００℃以下の温度に加熱する加熱工程と、
加熱された前記鋼材を、拡径率：１３０％以上４００％以下、加工終止温度：Ｔ_rc（℃）以上１０００℃以下の条件下においてリングロール圧延を行い、リングを得る圧延工程と、
７５０℃から６００℃までの温度区間の平均冷却速度が０．１℃／ｓ以上１．０℃／ｓ以下となるように、圧延終了後の前記リングを冷却する冷却工程と
を備えている。
本発明に係るリングの製造方法は、
前記冷却工程の後に、前記リングを浸炭処理する浸炭工程
をさらに備えていても良い。

鋼材をリングロール圧延した後、所定の温度区間を所定の冷却速度で冷却すると、ベイナイト変態を抑制することができる。そのため、軟質化のための熱処理を省略することができる。
また、加工終止温度を所定の温度に設定すると、冷却時に適度に再結晶が進行し、浸炭に適した整細粒が得られる。その結果、圧延後にそのまま浸炭を行っても、異常粒成長が生じない。

図１（ａ）は、ＳＣＲ４２０Ｈをリングロール圧延する場合における圧延条件（加工終止温度、及び平均冷却速度）とリングの特性（硬さ、異常粒の発生の有無、及びベイナイトの発生の有無）との関係を示す図である。図１（ｂ）は、ＳＣＭ４２０Ｈをリングロール圧延する場合における加工条件とリングの特性との関係を示す図である。

以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． リングの製造方法］
本発明に係るリングの製造方法は、加熱工程と、圧延工程と、冷却工程とを備えている。本発明に係るリングの製造方法は、さらに浸炭工程を備えていても良い。

［１．１ 加熱工程］
まず、肌焼き鋼からなる中空円筒状の鋼材を、前記鋼材の再結晶温度（Ｔ_rc（℃））＋５０℃以上１１００℃以下の温度に加熱する（加熱工程）。

［１．１．１． 鋼材］
本発明において、鋼材は、肌焼き鋼からなる。肌焼き鋼としては、例えば、ＳＣＲ４２０Ｈ、ＳＣＭ４２０Ｈ、ＳＣＭ４１５、ＳＣＲ４１５などがある。
鋼材は、中空円筒状の形状を有している。中空円筒の内径、外径、及び高さは、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができる。

［１．１．２． 加熱温度］
鋼材は、所定の温度に加熱される。加熱温度が低すぎると、加工終止温度が過度に低くなる。その結果、後述する冷却工程において再結晶が不十分となり、結晶粒が過度に微細化する。結晶粒の過度の微細化は、後述する浸炭工程において異常粒成長の原因となる。従って、加熱温度は、鋼材の再結晶温度（Ｔ_rc（℃））＋５０℃以上である必要がある。
一方、加熱温度が高すぎると、再結晶が過度に進行し、結晶粒が粗大化する。結晶粒の粗大化は、リングの機械的特性を低下させる原因となる。従って、加熱温度は、１１００℃以下である必要がある。

最適な加熱温度は、鋼材の組成やリングの用途により異なる。
例えば、ＳＣＲ４２０Ｈの場合、加熱温度は、９００℃以上１１００℃以下が好ましい。
また、ＳＣＭ４２０Ｈの場合、加熱温度は、９００℃以上１１００℃以下が好ましい。

［１．２． 圧延工程］
次に、加熱された前記鋼材を、拡径率：１３０％以上４００％以下、加工終止温度：Ｔ_rc（℃）以上１０００℃以下の条件下においてリングロール圧延を行い、リングを得る（圧延工程）。

［１．２．１． 拡径率］
拡径率とは、次式で表される値をいう。
拡径率（％）＝（Ｒ−Ｒ₀）×１００／Ｒ₀
但し、Ｒ₀は圧延前の素材の内径、Ｒは、圧延後の素材の内径。

拡径率が小さすぎると、再結晶による結晶粒の微細化が進行しない。従って、拡径率は、１３０％以上である必要がある。拡径率は、さらに好ましくは、１６０％以上である。
歩留りを向上させるには拡径率を大きくする必要があるが、拡径率が大きくなりすぎると、加工前の内径を小さくすることとなる。その場合、リング内径側の工具（マンドレル）径が細くなりすぎ、工具が弱くなるため、成形時の負荷に耐えられず、折損してしまうことが考えられる。従って、拡径率は、４００％以下である必要がある。

［１．２．２． 加工終止温度］
加工終止温度が低すぎると、再結晶が十分に進行しない。従って、加工終止温度は、Ｔ_rc（℃）以上である必要がある。
一方、加工終止温度が高すぎると、再結晶が過度に進行し、結晶粒が粗大化する。従って、加工終止温度は、１０００℃以下である必要がある。加工終止温度は、さらに好ましくは、９５０℃以下である。

［１．２．３． 繰り返し］
１回の圧延で目的とする形状が得られない場合、上述した加熱工程と、圧延工程とを必要回数だけ繰り返す。この場合、少なくとも最後に行われる加熱工程及び圧延工程は、上述した条件を満たしている必要がある。適度な硬さと適度な粒径を持つリングを得るためには、すべての加熱工程及び圧延工程が、上述した条件を満たしているのが好ましい。

［１．３． 冷却工程］
次に、７５０℃から６００℃までの温度区間の平均冷却速度が０．１℃／ｓ以上１．０℃／ｓ以下となるように、圧延終了後の前記リングを冷却する（冷却工程）。

肌焼き鋼を再結晶温度以上の温度から冷却する場合において、冷却速度が速すぎると、ベイナイト変態が起こる。冷却中にベイナイト変態が起こると、リングの軟化が不十分となる。リングを十分に軟化させるためには、冷却中にフェライト・パーライト変態を起こさせる必要がある。

ベイナイト変態の開始温度（Ｂ_s線）及びフェライト・パーライト変態の開始温度（Ｐ_s線）は、鋼材の組成と圧延時の加工度に依存する。一般に、圧延時の加工度が大きくなるほど、Ｂ_s線及びＰ_s線が短時間側にシフトする。そのため、上述した強加工を施したリングを冷却する場合において、７５０℃から６００℃までの温度区間を所定の冷却速度で冷却すると、冷却中におけるベイナイト変態を抑制することができる。

ベイナイト変態を抑制するためには、平均冷却速度は１℃／ｓ以下である必要がある。平均冷却速度は、さらに好ましくは、０．５℃以下である。
一方、必要以上の徐冷は、効果に差が無く、実益がない。従って、平均冷却速度は、０．１℃／ｓ以上である必要がある。平均冷却速度は、さらに好ましくは、０．２℃／ｓ以上である。

［１．４． 浸炭工程］
次に、必要に応じて、前記冷却工程の後に、前記リングを浸炭処理する（浸炭工程）。
浸炭方法は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。浸炭方法としては、固体浸炭法、液体浸炭法、ガス浸炭法、真空浸炭法、プラズマ浸炭法などがある。

［２． 作用］
肌焼き鋼は、一般に焼き入れ性が高いため、熱間圧延後の冷却過程においてベイナイト変態が生ずることがある。ベイナイトは硬質相であるため、ベイナイトが生成した場合には、軟質化のための熱処理を行う必要がある。しかしながら、軟質化のためには、通常、長時間の熱処理が必要となる。
また、肌焼き鋼は、所定の形状に仕上げた後、耐摩耗性を向上させるために浸炭処理を行う場合がある。しかしながら、浸炭処理前の素材の結晶粒が過度に微細化していると、浸炭時に異常粒成長が起こる。異常粒成長を避けるためには、浸炭処理前に結晶粒を適度な粒径に整える処理（焼準）を行う必要があった。

これに対し、鋼材をリングロール圧延した後、所定の温度区間を所定の冷却速度で冷却すると、ベイナイト変態を抑制することができる。そのため、軟質化のための熱処理を省略することができる。
また、圧延終了温度を所定の温度に設定すると、冷却時に適度に再結晶が進行し、浸炭に適した整細粒が得られる。その結果、圧延後にそのまま浸炭を行っても、異常粒成長が生じない。

（実施例１、２）
［１． 試料の作製］
［１．１． リングロール圧延］
鋼材には、ＳＣＲ４２０Ｈ（再結晶温度：８３０℃、実施例１）、及びＳＣＭ４２０Ｈ（再結晶温度：８６０℃、実施例２）を用いた。また、加工前の素材の形状は、φ８０−φ４７−３５．７（実施例１）、又はφ１０５−φ４９×３５．７とした。

中空円筒状の素材に対し、リングロール圧延を行った。圧延終了後、所定の冷却速度で冷却した。圧延及び冷却の条件は、以下の通りである。
加熱温度： ９５０℃〜１０５０℃
拡径率： １６５％（実施例１）、又は３６０％（実施例２）
加工終止温度：７７０℃〜９５０℃
平均冷却速度：０．３２℃／ｓ〜１．３℃／ｓ

［１．２． 浸炭処理］
熱間鍛造→リングロール圧延→熱処理（冷却）→所定の形状に仕上げる機械加工を経たリングに対して、浸炭処理を行った。浸炭は、ガス浸炭法により行った。また、浸炭条件は、９５０℃加熱４時間保持から８５０℃で０．５時間保持し、油冷とした。

［２． 試験方法］
［２．１． 硬さ］
機械加工後のリングから試料を切り出し、ビッカース硬さを測定した。ビッカース硬さが１４０〜１８０Ｈｖの範囲内であるものを「○」、１４０〜１８０Ｈｖの範囲外にあるものを「×」と評価した。
［２．２． 組織］
浸炭処理後のリングから試料を切り出し、組織観察を行った。異常粒の有無、及び、ベイナイトの有無を顕微鏡により判定した。

［３． 結果］
表１に、結果を示す。なお、表１には、製造条件も併せて示した。また、図１に、リングの圧延条件（加工終止温度、及び平均冷却速度）とリングの特性（硬さ、異常粒の発生の有無、及びベイナイトの発生の有無）との関係を示す。表１及び図１より、以下のことがわかる。

（１）ＳＣＲ４２０Ｈ及びＳＣＭ４２０Ｈのいずれも、加工終止温度が臨界値を下回ると、浸炭後に異常粒が発生する確率が高くなる。これは、加工終止温度が低すぎると、冷却過程における再結晶が不十分となり、結晶粒が過度に微細化したためと考えられる。
（２）ＳＣＲ４２０Ｈ及びＳＣＭ４２０Ｈのいずれも、７５０〜６５０℃の温度区間における平均冷却速度が臨界値を超えると、ベイナイトが発生した。
（３）ＳＣＲ４２０Ｈ及びＳＣＭ４２０Ｈのいずれも、７５０〜６５０℃の温度区間における平均冷却速度が臨界値を超えると、硬さが１８０Ｈｖを超えた。これは、平均冷却速度が速すぎるために、硬質なベイナイトが発生したためである。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係るリングの製造方法は、ギア、リングギア、フランジ、スリーブなどの製造に用いることができる。

Claims (2)

1. 肌焼き鋼からなる中空円筒状の鋼材を、前記鋼材の再結晶温度（Ｔ_rc（℃））＋５０℃以上１１００℃以下の温度に加熱する加熱工程と、
   加熱された前記鋼材を、拡径率：１３０％以上４００％以下、加工終止温度：Ｔ_rc（℃）以上１０００℃以下の条件下においてリングロール圧延を行い、リングを得る圧延工程と、
   ７５０℃から６００℃までの温度区間の平均冷却速度が０．１℃／ｓ以上１．０℃／ｓ以下となるように、圧延終了後の前記リングを冷却する冷却工程と
   を備えたリングの製造方法。
2. 前記冷却工程の後に、前記リングを浸炭処理する浸炭工程をさらに備えた請求項１に記載のリングの製造方法。

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