JP2756533B2

JP2756533B2 - 高強度、高靭性棒鋼の製造方法

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Publication number: JP2756533B2
Application number: JP1032756A
Authority: JP
Inventors: 豊明江口; 能由大和田; 宏志神田; 志郎中野; 晶勝尾
Original assignee: TOOA SUCHIIRU KK
Current assignee: TOOA SUCHIIRU KK
Priority date: 1989-02-14
Filing date: 1989-02-14
Publication date: 1998-05-25
Anticipated expiration: 2013-05-25
Also published as: JPH02213415A

Description

【発明の詳細な説明】「発明の目的」（産業上の利用分野）この発明は高強度、高靱性棒鋼の製造方法に関するも
のである。

（従来の技術）自動車部品、もしくは建設機械部品のシャフト等のよ
うな高強度、高靱性が要求されるものについては、通
常、構造用炭素銅をオフラインにおいて焼入れ焼戻し処
理を施した調資材が使用されている。

このため、工程並びにコストの合理化を図る見地か
ら、例えば特開昭51−99619もしくは特開昭62−86125の
ような熱間圧延後の棒銅をオンラインにおいて直接焼入
れを行なう方法が提案され、又、一方、特開昭59−9122
のようにＶ、もしくはNbを添加した非調質銅を使用する
例も近年見られるようになった。

（発明が解決しようとする課題）調質材については表層部の硬度が内部より極めて高く
このため焼入れ後の曲がりが大きく切削性に欠けると言
う欠陥がある。

又、前述したような、オフラインによる熱処理が生産
工程を複雑にし多大のコスト増を招くことは、こと新ら
しく言うまでもないことであり、そのためにこそ前述し
たようなオンラインによる処理方法、もしくは非調質鋼
が提案される所以であるが、前者の例の特開昭51−9961
9においては、仕上げ圧延後の急冷により表層部をマル
テンサイトおよび（又は）ベイナイト組織となし、その
後の鋼材の保有熱により表層部を焼戻す方法であるが、
オフライン調質材と同様に表層部の硬さが内部より著し
く高く、大きい残留応力のため直棒の曲がりが大きく、
而も切削工具の寿命を著しく短かくするという欠点があ
る。更に特開昭59−9122には0.05〜0.15％Ｖを含む鋼を
900℃以下で少なくとも20％以上の熱間加工を施す方法
も提案されているが、この方法は圧延温度を低くして粒
を微細化して靱性を向上させる方法であり、圧延後は放
冷であるためオーステナイト粒の再結晶が進んで十分微
細な粒子を得ることができず、またパーライトのラメラ
ー間隔も大きくなってしまう。非調質鋼にしてもC:0.40
％以上では靱性に欠け、Ｖ、Nb等を0.10〜0.20％添加す
る場合にはコスト高は避けられない。更に特開昭63−69
914には表層部をAc₁〜Ac₁−60℃の温度に冷却して50％
以上の圧延を施し、表層部を球状化組織として後、下部
臨界冷却速度未満で冷却して、耐摩耗性に優れた棒線材
を製造する方法が開示されている。しかしこの表層の球
状化組織はフェライト粒の微細化のため硬度が極めて高
く、ベイナイトないし焼戻しマルテンサイトとほヾ同等
の硬度を有すると示されているが、発明者らの研究にお
いては硬度はベナイトないし焼戻しマルテンサイトより
かなり低いことが確認された。又、仮に硬度が高くても
曲がりが大きく切削工具寿命が低いという欠点は何ら改
善されていない。

本発明はこのような現状に鑑み創案されたものであ
り、特定の組成よりなる鋼片を圧延条件および冷却条件
を適切に制御することにより、オンライン処理で、表層
部が軟質で、内部はオフライン調質材と同等の高強度、
高靱性を有し且つ切削性に優れた棒鋼を製造する方法を
提供することを目的とする。

「発明の構成」（課題を解決するための手段）前述の目的を達成するために、本発明者等は（１）重量％で、C:0.32〜0.60％、Si:0.25〜1.00％、M
n:0.50〜1.80％を含有する鋼片を、850〜1000℃に加熱
して、圧延し、Ac₁〜850℃の間で圧延を終了し、次いで
最終圧延後の鋼の表面を170〜500℃の間の温度に一旦急
冷し、後、鋼の内部保有熱により鋼表面を540〜650℃の
間の温度に復熱せしめて、表層部に微細なフェライトと
粒状炭化物および（または）層状炭化物を生成せしめる
ことにより表層部がその内部より軟質であることを特徴
とする高強度、高靱性棒鋼の製造方法。

（２）重量％で、C:0.32〜0.60％、Si:0.25〜1.00％、M
n:0.50〜1.80％を含有する鋼片を、850〜1000℃に加熱
して、圧延し、Ac₁〜850℃の間で圧延を終了し、次いで
最終圧延後の鋼の表面を170〜500℃の間の温度に一旦急
冷し、後、鋼の内部保有熱により鋼表面を540〜650℃の
間の温度に復熱せしめて、表層部に微細なフェライトと
粒状炭化物および（または）層状炭化物を生成せしめ、
然る後、再度急冷して表面を400℃未満とすることによ
り表層部がその内部より軟質であることを特徴とする高
強度、高靱性棒鋼の製造方法を茲に提案する。

本発明方法を採用することにより、経費の安価なオン
ライン処理により、化学組成として高価な合金元素を使
用することもなく、表層部が軟質で内部が高強度、高靱
性の曲がりが小さく切削性に優れた棒鋼を製造すること
かできる。又、Ｖ等の焼入性向上元素を用いた場合には
従来非調質鋼より一層の強靱化を図ることができる。

「作用」本願発明の骨子とするところは、（ａ）マルテンサイ
ト等の過冷組織の発生を防止するためオーステナイト粒
度を適度に小さくして、表層部の焼入れ性を低下せしめ
るための適当な低温圧延を行なうこと、（ｂ）表層部に
フェライト粒子を多数生成せしめるための急冷を行なう
こと、（ｃ）表層に生成した残留応力を開放するための
所定温度域への復熱処理を施すこと、（ｄ）更に必要に
応じて内部組織を微細にして高強度、高靱性を付与する
ために後段における再度の急冷を行なうことである。

先ず、本発明方法を適用する鋼材の化学組成における
数値限定の理由について説明する。

C:0.32〜0.60％Ｃは強度を確保するのに重要な元素である。然し0.32
％未満では所望の強度が適切に得られず、一方0.60％を
超えて添加する場合には靱性が低下するので、0.20〜0.
60％の範囲に限定した。

Si:0.25〜1.00％ Siは脱酸剤として機能し、またフェライトに固溶して
鋼を強化するが、0.25％未満ではその効果が乏しく、一
方1.00％を超えて添加する場合は鋼の清浄度を低下せし
め、靱性を劣化せしめ、また脱炭を大きくする原因とな
るので、0.25〜1.00％の範囲とした。

Mn:0.50〜1.80％ Mnは焼入れ性を高めると共に、Ｓによる靱性の低下を
防止するための機能を有する元素である。この効果を期
待するには少なくとも0.50％以上の添加を必要とする
が、1.80％を超えて添加する場合には内部組織にベイナ
イトの占める割合が多くなって靱性を損なうことになる
ので、0.50〜1.80％の範囲とした。

尚、本願発明においては、特に必須成分としては規定
しなかったが、オーステナイト粒微細化元素として必要
に応じてTi、Zr、Nb、Al等を0.010〜0.050％、焼入れ性
向上元素としてのNi、Cr、Mo、Ｖ、Ｂ等を内部組織が完
全にベイナイトにならない程度に添加しても良く、切削
性を向上せしめる見地からＳ、Pb、Ca、を添加すること
も勿論可能である。

次に圧延条件並びに熱処理条件の数値限定理由につい
て述べる。

圧延のための鋼片の加熱温度:850〜1000℃ 鋼片の加熱温度は、圧延機の負荷の点から考慮し850
℃以上とする必要がある。850℃未満では負荷が大き過
ぎることになり、1000℃を超える加熱温度ではオーステ
ナイト粒の成長が著しくなるので、850〜1000℃の範囲
とする必要がある。

圧延終了温度：Ac₁〜850℃ 圧延終了温度がAc₁未満では、圧延機の負荷が大きく
なり過ぎ表面疵が発生し易くなる。また粒が微細化しす
ぎて焼入れ性が低くなり、内部を強靱化しにくくなる。
一方850℃を超える場合はは、圧延中の動的再結晶、圧
延後の静的再結晶の進行が著しくなり、微細な組織を得
ることができず、急冷によってベイナイトやマルテンサ
イトを生じ易くするので、Ac₁〜850℃の範囲とした。

最終圧延後の鋼表面の急冷温度:170〜500℃ 急冷時の鋼の表面温度を170℃より低くした場合には
内部が冷却され過ぎてベイナイトの占める割合が多くな
って靱性が劣ってくる。一方500℃を超える表面温度と
する場合には、内部の冷却が不充分で高強度、高靱性を
得ることはできない。急冷には通常水を使用する。鋼組
成より計算されるMs点は300℃程度であり当然本発明に
おいては計算Ms点以下に冷却する場合もあるが、低温で
最終圧延を行った直後は圧延変形帯が残存しており、極
めて焼入れ性が低下しており、表層部にマルテンサトが
生ずることはない。圧延後数秒以内で急冷した場合には
転位を多数含んだ未再結晶粒がそのまま残存しており、
これは過飽和固溶炭素の析出サイトとなる。即ち変形オ
ーステナイトから急冷された鋼は過飽和固溶炭素を多量
含有しており、これは復熱処理によって転位上に析出す
る。炭化物が層状に析出する時間的余裕がないのと、析
出サイトが多数存在することの理由により炭化物は粒状
に析出するのである。この未再結晶フェライトと粒状炭
化物よりなる層はマルテンサイト、ベイナイトより軟質
である。

しかしながら最終圧延後の時間の経過とともに変形オ
ーステナイトの再結晶及び転位の消滅が進み、固溶炭素
は層状に析出するようになる。約２分後に急冷した場合
には微細なフェライト＋パーライトのみの組織となる。
表層部がフェライト＋パーライトのみの組織となる。表
層部がフェライト＋パーライトのみの組織になっても内
部より圧倒的にフェライトの量が多いので表層部は内部
より軟質となる。50〜500℃の温度とすることにより得
られるフェライト粒度は10番以上の極めて微細なものと
なる。

復熱後の表面温度:540〜650℃ 急冷により得られる表層部組織は、熱間圧延後の回復
が不十分で残留応力が大きい。大きな残留応力は直棒の
曲がりの原因となるので、これを所定の温度にまで復熱
させて、残留応力を少なくする。540℃未満では残留応
力の解放が小さく、一方650℃を超える高温に復熱する
ような急冷の程度では、内部の高強度化不十分となるの
で、540〜650℃の範囲とした。

このように前項の急冷工程とこの復熱工程をとること
により、初めて表層部に粒度No.10以上のフェライトと
粒状炭化物および（または）層状炭化物を生成せしめ、
このような金属組織を得ることにより初めて軟質の表層
部が得られることになる。

後段急冷時の鋼の表面温度:400℃未満熱間圧延後の急冷−復熱によって表層部に軟質層が得
られても、その内部は未変態のオーステナイトのままで
ある。70φ程度以下の棒においては400〜650℃に復熱後
放冷しても、内部の高強度化を図ることはできる。しか
し100φ程度以上の太径になると表層軟質直下は強化し
ても内部を充分強靱化することはできない。内部強度を
焼入れ焼戻し材なみ、即ち通常圧延材より10kgf/mm²程
度の強度度化を図る場合には、再度急冷して表面を400
℃未満に冷却する必要がある。表層軟質部は既に変態を
完了しているので、再度の急冷によっても殆ど影響を受
けない。内部は微細はフェライト＋パーライトである
が、靱性を損なわない程度のベイナイトは混在しても差
し支えはない。従って太径材において通常圧材より高強
度化を狙う場合には、内部を微細なフェライト＋パーラ
イト組織にする必要があり、この後段の冷却は欠かせな
いこととなる。

本願発明方法による場合には、前述した化学的組成の
鋼片をここに述べたように圧延条件、熱処理条件により
処理することにより、表層部には軟質層が形成せしめら
れ、内部には微細組織を有する曲がりが小さく且つ切削
性に優れた高強度、高靱性を備えた棒鋼を製造すること
ができる。

（実施例）以下に本発明を実施例に従って詳細に説明する。

第１図は本発明を実施するための装置の例を示す図で
ある。加熱炉１より抽出された鋼片は粗圧延機群２、中
間圧延機群３、仕上げ圧延機群４により所望の系に熱間
圧延される。各々の圧延機群の後には粗圧延水冷帯５、
中間圧延水冷帯６、仕上げ圧延水冷帯７を有し、さらに
所定の間隔をおいて製品水冷帯８を有する。例えば70φ
より太径の棒鋼は粗圧延機群のみで圧延を終了するの
で、４つの水冷帯を適宜選択して、或いは組み合わせて
水冷を施すことが可能である。また細径の30φ程度の棒
鋼は仕上げ圧延機群で圧延を終了するので、仕上げ圧延
水冷帯および（または）製品水冷帯を使用することにな
る。

第１表には試験に用いた試供鋼の化学成分を示す。鋼
Ａは鉛を含む通常のS45C相当鋼、鋼Ｂは高Mnで少量の
Ｖ、Nbを含む鋼、鋼Ｃは炭素がやや低めでかつ高Si−Mn
でＶを0.12％含む鋼である。

第２表には熱処理条件を示す。熱処理条件ａ〜ｍは後
述する第３表の試験No.1〜15に該当するものである。

第３表には試験結果を示すが、表中のTMは焼戻しマル
テンサイト、Ｆはフェライト、Ｓは粒状炭化物、Ｐはパ
ーライト（層状炭化物）、Ｂはベイナイト、またYPは降
伏点、TSは引張強さ、ELは伸び、RAは絞り、CIVは室温
での衝撃値を示す。第３表において、試験No.1は鋼Ａを
50φに圧延後ただちに230℃まで冷却した例であるが、
表層部にフェライト＋粒状炭化物より成る層を有し、内
部はNo.2の従来オフライン調質材と同等に強靱性を有す
る棒鋼が製造されている。従来法の表層は焼戻しマルテ
ンサイトで硬いのに対し、No.1は表層が内部より軟質で
このため残留応力が小さく、棒の曲がりが小さい。

No.3〜９は70φの鋼Ａについて熱処理条件を種々変更
して試験した例である。

No.3は最終圧延後ただちに220℃まで水冷した例であ
るが、圧延終了温度が高すぎてオーステナイトの再結晶
が速く表層が焼入れされマルテンサイトがでた例で、曲
がりが大きい。

No.4は最終圧延後ただちに180℃まで水冷した例であ
るが、圧延終了温度がNo.3より低いのでフェライト＋粒
状炭化物より成る表層を有し内部も強靱で曲がりも小さ
い。

No.5はNo.4より水冷時間が短い例であり、このための
内部の強靱性はNo.4よりやや低いが強靱棒鋼として十分
な性質を示している。

No.6はNo.5と同じ条件の第１回急冷に引き続き、第２
回急冷を行った例であるが、内部が十分強靱化されてい
る。

No.7は最終圧延直後の水冷帯を使用せず、20秒後に急
冷した例であるが、表層組織がフェライト＋粒状炭化物
＋パーライトになった例である。

No.8は最終圧延から180秒後に製品水冷帯で冷却した
例であるが、再結晶が進んで表層が焼戻しマルテンサイ
トになったため曲がりが大きい。

No.9は従来オフライン調質材の性質を示す。

No.10〜13は100φの鋼Ａについて試験した例である。

No.10は仕上げ圧延水冷帯により圧延終了から120秒後
に14秒間水冷した例である。表層はフェライト＋パーラ
イトで軟質であるが、太径のため内部の冷却がやや不足
で、十分強靱でない。

No.11はNo.10の内部の強靱性をされに高めるため製品
水冷帯で第２回目の急冷を施した例であり、十分な強靱
化が達成されている。

No.12は同じく２回水冷を行った例であるが第１回の
水冷が弱く、このため復熱温度が高く、再結晶が進んで
２回目の冷却でマルテンサイトが発生した例である。

No.13は従来オフライン調質材の性質を示す。

No.14、45は70φの鋼ＢまたはＣを熱処理条件ｆで試
験した例である。いずれも曲がりが小さく、S45Cより強
靱な棒鋼が製造されている。鋼Ｃは焼入れ性が高いので
内部に若干のベイナイトを含んでいるが、衝撃値は極め
て高い。

第２図には本発明方法（試験No.5、６）の鋼材表面の
圧延過程における温度変化を図示した。

第３図は本発明の方法（試験No.6）による棒鋼の長手
方向の表層と中間部（D/4、Ｄは直径）の金属組織の顕
微鏡写真を示す。表層は圧延によって長く伸びたフェラ
イトに粒状炭化物を有する組織であり、中間部はフェラ
イト＋パーライトである。

第４図に本発明法（試験No.6）と従来法（試験No.9）
の測定位置別硬度分布の比較を示す。本発明方法による
場合には表層部に2mm程度の軟質層を有し、残留応力が
小さくなっていることが示されており、このため曲がり
が小さくなる。

第５図に超硬工具切削におけるすくい面摩耗の進行状
況を示す。本発明法より得られた製品がすくい面摩耗が
小さいことが示されている。

（切削条件：工具材質P20、切削速度150m/min、送り0.2
mm/rev、切削油なし）「発明の効果」以上詳述したように、本発明の高強度、高靱性棒鋼の
製造方法による場合は、特殊な合金元素を添加すること
もなく、又、オフラインにおける調質を省略しオンライ
ンにおいて、適切な制御圧延との組合せで、冷却条件を
コントロールすることにより、表層部に切削性の優れた
硬質部を形成せしめると同時に、内部がオフライン調質
材と同等の高強度、高靱性の且つ曲がりの小さい棒鋼を
効率的に製造することができるから、本発明の産業界の
発展に寄与するところは頗る大きいと言うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施するための圧延機群の配列と
水冷帯の位置を示す説明図、第２図は本発明方法による
鋼材の圧延過程における鋼材の表面温度の変化の例を図
示したもの、第３図は本発明方法により得られた棒鋼の
表層と中間部の金属組織を示す顕微鏡写真、第４図は従
来法と本発明方法により得られた棒鋼の測定位置別硬度
分布の比較を示したもの、第５図は従来法と本発明方法
により得られた棒鋼の超硬工具切削におけるすくい面摩
耗の進行状況を示したものである。

フロントページの続き (56)参考文献特開平１−205031（ＪＰ，Ａ) 特開平２−213416（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−13523（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−60411（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、C:0.32〜0.60％、Si:0.25〜1.0
0％、Mn:0.50〜1.80％を含有する鋼片を、850〜1000℃
に加熱して、圧延し、Ac₁〜850℃の間で圧延を終了し、
次いで最終圧延後の鋼の表面温度を170〜500℃の間の温
度に一旦急冷し、後、鋼の内部保有熱により鋼表面を54
0〜650℃の間の温度に復熱せしめて、表層部に微細なフ
ェライトを粒状炭化物および（または）層状炭化物を生
成せしめることにより表層部がその内部より軟質である
ことを特徴とする高強度、高靱性棒鋼の製造方法。
【請求項２】重量％で、C:0.32〜0.60％、Si:0.25〜1.0
0％、Mn:0.50〜1.80％を含有する鋼片を、850〜1000℃
に加熱して、圧延し、Ac₁〜850℃の間で圧延を終了し、
次いで最終圧延後の鋼の表面を170〜500℃の間の温度に
一旦急冷し、後、鋼の内部保有熱により鋼表面を540〜6
50℃の間の温度に復熱せしめて、表層部に微細なフェラ
イトを粒状炭化物および（または）層状炭化物を生成せ
しめ、然る後、再度急冷して表面を400℃未満とするこ
とにより表層部がその内部より軟質であることを特徴と
する高強度、高靱性棒鋼の製造方法。