JP2707096B2 - 高炭素綱材の直接軟化熱処理方法 - Google Patents

高炭素綱材の直接軟化熱処理方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高炭素鋼材の直接軟化熱処理方法に係り、特
に焼鈍工程を省略できる直接軟化熱処理方法に関する。
〔従来の技術〕
硬鋼線材、軸受鋼、工具鋼などで代表される高炭素鋼
材については2次加工段階において切削加工、切断、冷
間圧造、伸線等の冷間加工が行われる。特に、熱間圧延
材については硬さが極めて高く、そのまま切削加工や冷
間鍛造等を行うと工具寿命の短縮、切削能率の低下、割
れ発生などが起るため、これらに先立ち軟化焼鈍や球状
化焼鈍が施されるのが普通である。
これらの処理は600〜900℃の温度域での長時間加熱
と、それに続く冷却を必要とする。このため高価な熱処
理設備と多大なエネルギーを要するばかりでなく生産性
を低下させコスト上昇を招いている。
上記の難点を解決するため、熱間圧延段階で加工熱処
理技術により直接冷間加工が可能な高炭素鋼材の開発が
行われている。
例えば特公昭62−33289、特開昭59−136421、特開昭5
9−136422、特開昭59−136423等の技術が提案されてい
る。
特公昭62−33289では0.03〜1.20%Cの炭素鋼または
合金鋼を650〜850℃の未溶解炭化物となる低温で加熱し
た後700〜950℃で熱延し、その後750〜650℃の温度域を
40℃/分以下の冷却速度で冷却する。
特開昭59−136421では2%以下のCを含有する鋼をAc
1点以上に加熱した後、Ar1点〜(Ar1点−200℃)の温度
域において10%以上の塑性変形を加え、変形熱にてA3
〜(Ac1点−100℃)に到達させた後、100℃/分以下の
冷却速度で500℃まで冷却し、球状化組織を得るもので
ある。
特開昭59−136422では上記の塑性変形に先立ちパーラ
イトないしベイナイト変態を促進させることを特徴とし
ている。
また、特開昭59−136423はAr1点〜(Ar1点−200℃)
の温度域における加工による昇温を2回以上繰返すこと
を特徴としている。
これらの技術は、低温加熱であつたり、Ar1点〜(Ar1
点−200℃)すなわち、700〜500℃という低温での圧延
が特徴である。これらを実現するにはいずれも低温圧延
に耐えうる強大な圧延機を必要とし、ロールの耐久性お
よび多大な電力が必須である。
特に、特公昭62−33289のごとき650〜850℃における
加熱では所定ビレツトから線材まで減面する場合、各圧
延において強大な圧延機を要し、設備増強の必要があり
容易に実用化し難い。
また、特開昭59−136421、特開昭59−136422および特
開昭59−136423はいずれも低温域での加工による変形熱
を利用するため、圧延速度、圧下率等についても設備上
の制約を大きく受けることから容易には実用化が困難で
ある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、技
術的な制約を緩和し、低コストで実用化が容易な高炭素
鋼材の直接軟化熱処理方法を提供するにある。
〔問題点を解決するための手段および作用〕
本発明の要旨とするところは次の如くである。すなわ
ち、重量比にて C :0.75%〜2.0% Si:0.10〜2.0% Mn:0.10〜2.0% Cr:0.1〜2.5% P :0.050%以下 S :0.050%以下 を含有する炭素鋼を850℃以上の温度に加熱し圧下率30
〜60%の熱間圧延を行う段階と、前記熱間圧延後Ac1
態点〜Acm変態点の温度域で60〜900秒間の保持をした後
に同一温度域で圧下率30〜60%の熱間圧延を行う段階
と、前記熱間圧延後600℃の温度まで1℃/s以下の冷却
速度で徐冷する段階と、を有して成ることを特徴とする
高炭素鋼材の直接軟化熱処理方法である。
本発明者らは、熱間圧延条件および圧延後の冷却条件
について広範な検討を行つた結果、熱間圧延途上におい
てAc1点以上Acm点以下の温度域で保持および圧延を行
い、その後徐冷を施すことにより所期の目的が達せられ
ることを見い出し、本発明を完成することができた。
本発明において各成分を限定した理由は次のとおりで
ある。
C: 本発明の要件であるAc1点〜Acm点の温度域での保持の
際、初析セメンタイトの析出が必須であることから0.75
%を下限とした。上限を2.0%とした理由は2.0%を越え
ると1150℃以上の加熱により液相が析出し、熱間加工が
不可能と成るためである。以上の理由からCを0.75〜2.
0%の範囲に限定した。
Si: Siは鋼の脱酸を促進し、強度を上昇させる点で、Cと
同様に有効元素であるが、0.10%より少ないと前記効果
が少なく、一方2.0%より多いと硬化が著しく軟化が困
難になることと、冷間加工性ならびに切削性を損うの
で、Siは0.10〜2.0%の範囲内にする必要がある。
Mn: Mnは焼入性を向上させ、強度を上昇させる作用のある
元素である。0.10%より少ないと前記作用が少なく、一
方2.0%より多いと焼入性が高くなり過ぎると共に硬化
が著しく所期の目的が達せられないことと、冷間加工性
ならびに切削性が低下することから2.0%を上限とし、
0.10〜2.0%の範囲に限定した。
Cr: Crは炭化物を均一微細化する作用があるとともに焼入
性を向上させ、基地の強靭化により軸受としての重要な
特性である転動寿命等を向上させる効果があることから
添加されるが、0.1%以下ではこの効果がほとんど期待
できないことから0.1%を下限とした。一方2.5%を越え
る添加は焼入性を過度に高めすぎ本発明の目的である軟
化を達成することが困難となるため2.5%を上限とし
た。
P,S: PおよびSは冷間加工性および靭性に有害であるため
多量の含有は好ましくない。しかし切削性の点では含有
は望ましいことから冷間加工性、靭性と切削性の両面か
ら添加量が定められる。0.05%越えての添加は冷間加工
性、靭性を著しく劣化させることから0.05%を上限とし
た。
次に本発明の製造条件の限定理由について説明する。
上記成分の鋼材をまず850℃以上の温度で加熱し30%
〜60%の圧下率で熱間圧延した後、Ac1点〜Acm点の温度
域で60〜900秒間保持する。850℃以上の加熱は鋼材の粗
圧延を低荷重で経済的に行う上で必要なためである。加
熱温度の上限は特に定める必要はないが、鋼材の寸法、
加熱炉の能力から適宜決定される。
加熱された鋼材は30%〜60%の圧下率で熱間圧延され
るが、圧下率の下限を30%とした理由は加熱時に形成さ
れた粗大なオーステナイト(γ)粒を微細化し、次工程
で本発明の目的を発揮させるために必要な最小の圧下率
であるからである。30%未満の圧下率ではγ粒は再結晶
による微細化を起こさず、歪誘起粒間移動により逆に粗
大化する。上限を60%としたのは、この温度域では圧下
率の増加に伴つてγ微細細化は進行するが、粒成長も引
続いて起るために、加工による微細化効果は飽和する。
従つて60%を越えて圧下してもより以上の効果がないこ
とと、次工程での圧下率を確保しておく必要があるため
である。
上記の熱間圧延後、Ac1点〜Acm点の温度域で60〜900
秒間保持する。この保持は、先の熱間圧延により十分微
細化されたγ粒より微細にかつ均一に初析セメンタイト
を析出させ、変態促進を図る重要なプロセスである。こ
の際Ac1点〜Acm点の一定の温度で必ずしも保持する必要
はなく、この温度域の通過時間を60〜900秒としても同
一の効果が得られる。保持時間を60〜900秒とした理由
は、60秒未満では初析セメンタイトの析出時間が不十分
であるためであり、一方、900秒を越える保持は初析セ
メンタイトの析出がほぼ終了し、各粒子が成長、凝集し
始め好ましくなく、また、900秒を越えて保持するため
には、鋼材寸法が小さく熱容量が少ない場合には、温度
降下が大きい保持炉を必要として実用的ではないからで
ある。
上記の保持を終えた後、Ac1点〜Acm点の温度域におい
て30〜60%の圧下率で熱間圧延をする。この段階での熱
間圧延の役割として、微細にかつ均一に析出した初析セ
メンタイトと微細γ粒との混合組織に圧下を付与するこ
とにより初析セメンタイトは分断され、より均一な分散
状態となる。一方、γ粒はこの温度域では再結晶が比較
的進行し難いことと、微細な初析セメンタイトの存在の
ため結晶粒は微細化される。このため圧下歪はγ粒を伸
長させるとともに粒内に変形帯、転位が多数導入され、
変態核生成場所が増大する。また、初析セメンタイトな
る粒子の存在のために粒子近傍の応力集中度が高まり変
態核生成場所として大きな役割を演ずる。以上の如く、
この段階は本発明を実施する上で極めて重要であるが、
この効果を発揮させる最小限の圧下率は30%であること
から、下限を30%とした。
この圧延の効果は圧下率の増大に伴つて増加するが60
%を越えると効果が飽和することと、低温での高圧下は
変形抵抗が著大となり圧延機に大きな負荷がかかること
から圧下率を過大にするメリツトがないので、圧下率の
上限は60%とした。
熱間圧延後600℃まで1℃/s以下の冷却速度で徐冷す
るが、上記の熱間圧延後は著しく多くの核生成場所が存
在しており、Ac1点以下になれば短時間の内に変態が進
行する。従つて圧延後放冷した場合は著しく微細なパー
ライト+セメンタイト組織となり軟化が進行しない。圧
延後、パーライト組織を構成しているセメンタイトとフ
エライトが層間距離(ラメラー間隔)をコントロールす
ることにより十分軟質なパーライトまたは疑似パーライ
トを得ることができる。すなわち、本発明のごとき熱間
圧延により変態を十分促進させた後徐冷を行うことによ
り容易に軟質なパーライト組織または疑似パーライト組
織を得ることができる。この場合加工熱処理により細粒
となつており延性も確保できるのですぐれた加工性が得
られる。
単に熱間圧延後に徐冷した場合は、軟化するために著
しく遅い徐冷速度を要し、徐冷装置が大掛りとなる。更
に、最大の欠点として組織が粗大となることと、初析セ
メンタイトが網状に析出し延性が著しく損なわれるため
に切削性、冷間圧造性が低下する問題がある。しかし、
本発明によりかかる難点はすべて解消されるのである。
徐冷速度について、上限を1℃/sとする理由は、1℃
/s以下の冷却速度の場合は上記で説明したラメラー間隔
の大きなパーライトまたは疑似パーライトとなり十分軟
化した組織が得られるためである。下限については特に
限定しないが生産性、経済性の点から任意に決定すれば
よい。
〔実施例〕
実施例1 第1表に示す化学組成の実験用スラブを850℃以上の
温度で加熱後Acm(830℃)以上で第2表に示す条件で圧
延、保持次いで圧延を行い、冷却速度を変えて冷却し
た。
この場合、圧下率は初期スラブ厚を変化させるこ とによつて行つた。圧延は研究用圧延機を使用し、圧延
後の冷却速度は冷却制御装置をもつセラミツクス・フア
イバーで内張りされた徐冷ボツクスにて制御した。
冷却した鋼板について硬さおよび初析セメンタイトの
網状組織の有無について評価した。また、加工性を評価
する目的でJISZ2248に準拠する90度V部ブロツク曲げ試
験で割れ発生の有無を調査し、これらの結果を第3表に
示した。
第3表に示す如く、製造条件が限定範囲を満足しない
比較例供試材No.1、5および11はいずれも網状セメンタ
イトが認められVブロツク曲げにおいて割れが発生し加
工性が劣る。供試材No.15および16は冷却速度が大なる
ため硬度が高く加工性が劣る。供試材No.10はAc1点〜Ac
m点の保持が長すぎるため初析セメンタイトが凝集粗大
化し加工性が悪い。
これに対して、限定範囲を満足している本発明例の供
試材No.2、3、6、7、8、9、12、13および17〜21は
網状セメンタイトが無く微細分散したセメンタイトを持
つためいずれもすぐれた加工性を有している。
実施例2 第4表に示した化学成分および変態点を有する鋼番C
〜Eの300mm×400mm角ブルームを1200℃に加熱後、900
℃以上で圧下率60%の熱間圧延を施した後、Ac1点〜Acm
点の温度域で5分間保持した後、Ac1点〜Acm点で60%の
熱間圧延を施し丸棒とし、その後セラミツクス・フアイ
バーで内張りされた徐冷ボツクスに装入し、0.05℃/sの
冷却速度で徐冷した。
徐冷後、実施例1と同様の品質評価を行つてその結果
を第5表に示した。鋼番A〜Fはいずれも本発明の条件
を満足しているので、加工性、網状セメンタイトの状況
は良好であり、硬さレベルもオフライン焼なまし材と同
等に軟質であつた。
〔発明の効果〕 本発明は上記実施例からも明らかな如く、高炭素鋼材
の成分を限定し、熱間圧延の途上においてAc1〜Acm点の
温度域に60〜900秒間保持し圧下率30〜60%の圧延を施
し、その後600℃まで冷却速度が1℃/s以下の徐冷を行
い軟質なパーライト組織または疑似パーライト組織を得
ることにより、熱間圧延のままですぐれた加工性と軟質
化を示しており、従来は多大なエネルギーコストと焼な
まし設備を要し生産性を低下せしめていたのに比し、本
発明はこれらの工程を省略することによりコスト低減と
生産性向上の効果を挙げることができた。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】重量比にて C :0.75%〜2.0% Si:0.10〜2.0% Mn:0.10〜2.0% Cr:0.1〜2.5% P :0.050%以下 S :0.050%以下 を含有する炭素鋼を850℃以上の温度に加熱し圧下率30
    〜60%の熱間圧延を行う段階と、前記熱間圧延後Ac1
    態点〜Acm変態点の温度域で60〜900秒間の保持をした後
    に同一温度域で圧下率30〜60%の熱間圧延を行う段階
    と、前記熱間圧延後600℃の温度まで1℃/s以下の冷却
    速度で徐冷する段階と、を有して成ることを特徴とする
    高炭素鋼材の直接軟化熱処理方法。
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