JP2792896B2 - 微細な球状化炭化物を有する炭素鋼または合金鋼板の製造方法 - Google Patents

微細な球状化炭化物を有する炭素鋼または合金鋼板の製造方法

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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、構造用鋼、工具鋼等に用いられる炭素鋼ま
たは合金鋼の製造に係り、特に冷間加工による成形およ
び焼入処理に好適な微細な球状化炭化物を有する鋼材の
製造方法に関する。
<従来の技術> 通常の方法で製造された炭素鋼または合金鋼からなる
鋼材はその組織中にパーライトと呼ばれる層状炭化物を
有する。このような層状の炭化物は加工性を劣化し、ま
た焼入等の熱処理に際しても焼入不良や靭性劣化の原因
となるため、次工程で炭化物を球状化するのが一般的で
ある。
炭素鋼または合金鋼の炭化物を球状化する方法として
は、従来、(1)バッチ炉を用いてA1(変態)点直下の
温度に長時間加熱した後冷却する方法、(2)A1点直上
の温度に加熱した後A1点近傍を徐冷する方法、等が行わ
れているが、いずれも十数時間に及ぶ処理時間を要して
いた。この点を改善するために、(3)熱間加工後、フ
ェライトの動的再結晶温度以上A1点以下の温度で加工を
加えた後630℃以上A1点以下の温度に5秒以上5時間以
内保持する方法(特公昭63−14045号公報)や、(4)
熱間加工中にパーライト、ベイナイト、マルテンサイト
等に変態させた後急熱し、Ac3点以下の温度域で加工を
加え、しかる後に上記(1)(2)の処理を比較的短時
間で行う方法(特開昭63−86814号公報、特開昭63−868
15号公報、特開昭63−89617号公報)等が考案されてい
るが、(3)の方法では加工中に加熱が必要なことおよ
びその温度管理が厳しいこと、(4)の方法ではその後
の処理にまだかなりの時間を要すること、等の問題があ
った。さらに、これらの方法では得られる炭化物粒径は
1〜2μm以上と大きく、熱処理時のオーステナイト化
の時間が不十分であると焼入不良が生じ易い。
<発明が解決しようとする課題> 本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであっ
て、炭化物の球状化に要する処理時間を従来に比べて大
幅に短縮し、かつ球状化の程度も従来以上(炭化物粒径
1μm以下)とした冷間加工性に優れると共に焼入処理
に好適な炭素鋼または合金鋼板を製造する方法を提供す
ることを目的とするものである。
<課題を解決するための手段> 上記の目的を達成するため、炭化物の球状化挙動にお
よぼす前組織および熱処理前の冷間加工の影響を調査し
た結果、球状化熱処理前の熱間圧延条件を制御すること
により、球状化に好ましい組織に調整し、しかる後に冷
間加工および短時間保持の熱処理を施すことによって微
細な球状化炭化物組織が得られることを見出した。
すなわち、本発明の要旨とするところは、炭素鋼また
は合金鋼にAr3以上の温度域で熱間圧延を施し、その後3
0℃/s以上で冷却し500℃からMsの温度範囲で巻取り、つ
いで10%以上の冷間圧延を施した後、再結晶温度以上、
A1以下の温度に加熱して30秒以上600秒以下保持するこ
とを特徴とする微細な球状化炭化物を有する炭素鋼また
は合金鋼板の製造方法にあり、また炭素鋼または合金鋼
にAr3以上の温度域で熱間圧延を施し、その後30℃/s以
上で冷却しMsから(Ms+Mf)/2の温度範囲で巻取り、つ
いで10%以上の冷間圧延を施した後、再結晶温度以上、
A1以下の温度に加熱して30秒以上600秒以下保持するこ
とを特徴とする微細な球状化炭化物を有する炭素鋼また
は合金鋼板の製造方法にある。
<作 用> 従来の熱間圧延後の組織は、通常、以後の熱処理によ
って球状化しにくい層状パーライト組織を含んでいる。
このような圧延材に対して通常の熱処理法を適用して、
この層状パーライトを球状化組織とするためには、層状
パーライトが安定であるため、熱処理時間を長時間にし
なければならない。
そこで、本発明では、以後の熱処理工程において炭化
物の球状化が容易となるような前組織を熱間圧延後に形
成させ、ついで冷間加工を加えることにより球状化をさ
らに促進させるものである。すなわち、熱間圧延後の組
織を上記層状パーライト組織ではなく、フェライトと微
細炭化物からなる微細なベイナイト組織またはベイナイ
ト組織と焼戻しマルテンサイト組織からなる組織とする
ものである。フェライトと微細炭化物からなる微細なベ
イナイト組織とするには、熱間圧延後の冷却過程におい
て急冷することにより層状パーライトの生成を阻止し、
ベイナイト変態温度域にて徐冷する。また、ベイナイト
組織と焼戻しマルテンサイト組織からなる組織とするに
は、熱間圧延後の冷却過程において急冷することにより
層状パーライトの生成を阻止し、一部マルテンサイト組
織とした後コイルに巻取る。この場合残部オーステナイ
トはベイナイト変態を起こしつつ、変態潜熱を発生して
コイル温度を上昇させ前記焼入マルテンサイトは焼き戻
される。焼入マルテンサイトは硬質であるためほとんど
冷間加工を加えることは難しいが焼戻しマルテンサイト
とすることにより延性が回復し、冷間加工が可能とな
る。その後、適当な冷間加工を加え、加工歪が蓄積した
組織状態の鋼板に短時間保熱の熱処理を施すことによっ
て軟化と炭化物の微細化を同時に図るものである。
熱間圧延後にフェライトと微細なベイナイト組織とす
るには、Ar3(変態点)以上の温度で熱間圧延を終了
し、その後30℃/s以上で急冷し、500℃からMs(マルテ
ンサイト変態開始温度)の温度範囲でコイルに巻取る。
圧延温度の低下は変形抵抗を増加し、圧延性を阻害する
ため、圧延終了温度の下限をAr3とした。熱間圧延後の
冷却はパーライト変態を回避するため30℃/s以上の急冷
が必要である。また、巻取温度が500℃を越えるとやは
りパーライト組織が生成するため好ましくない。Ms以下
まで冷却するとマルテンサイト組織となり、その後の冷
間加工が不可能なばかりでなく熱処理時に焼き割れが発
生する恐れがある。
また、熱間圧延後にベイナイト組織と焼戻しマルテン
サイト組織とするには、Ar3以上で熱間圧延を終了し、
その後30℃/s以上で急冷し、Msから(Ms+Mf)/2の温度
範囲でコイルに巻取る。圧延終了温度の低下は変形抵抗
を増加し、圧延性を阻害するため、また、フェライト変
態やパーライト変態等の拡散変態が生じ易くなり、マル
テンサイト組織を得にくくなるため圧延終了温度の下限
をAr3とした。熱間圧延後の冷却はパーライト変態を回
避しマルテンサイト組織とするため30℃/s以上での急冷
が必要である。巻取温度はマルテンサイト変態を生じさ
せるためにMs温度以下でなければならない。また、巻取
温度の下限は焼入マルテンサイトを焼き戻すために特に
重要である。(Ms+Mf)/2より低いと巻取後の変態潜熱
が不足し、焼入マルテンサイトは十分に焼き戻されず硬
質となるため、その後の冷間加工が不可能なばかりでな
く熱処理時に焼き割れが発生する恐れがある。なおここ
でMfはマルテンサイト変態の終了温度である。
10%以上の冷間加工を加えることは、それに続く短時
間の熱処理を可能にするために重要である。加工度を10
%以上としたのは、実施例にも示すようにこれ以下では
炭素の拡散を促進し、球状化を容易にするための歪エネ
ルギーが不足し、球状化に長時間を要することから、処
理時間の短縮という本発明の大きな目的を達し得ないた
めである。また加工度は大きい方が好ましく、その上限
は特に規定しないが、加工度が大きくなると炭化物から
のクラックの発生およびフェライトにおける加工硬化が
重なって、加工中に鋼の破断を招く恐れがあり、好まし
くは50%以下である。なお、特に鋼中の炭素量が多い等
の理由で冷間加工が難しい場合には、潤滑剤あるいはゼ
ンジミア圧延機等の強力な加工機を用いると良い。
次に、球状化処理として、再結晶温度以上、A1(変態
点)以下の温度に加熱して30秒以上、600秒以下保持す
る。本質的に炭化物の球状化を担うのは再結晶温度以
上、A1以下の温度域における保持であり、充分な球状化
を行うには最低でも30秒保持することが必要である。ま
た600秒を越えて保持すると炭化物が粗大化し、目的と
する1μm径を越えるようになるため上限を600秒とす
る。加熱温度は、再結晶温度以下では炭化物の球状化に
必要なエネルギーが得られないだけでなく、フェライト
の再結晶が不十分となり、処理後の鋼材の材質を劣化さ
せる。またA1以上に加熱すると炭化物がオーステナイト
相中に固溶し、冷却時に再び層状炭化物を生じるため、
目的を達し得ない。なお加熱速度、冷却速度は特に限定
されないが、遅くなると不必要に処理時間が長くなるば
かりでなく、高温での保持時間が無視できなくなり、炭
化物の粗大化に影響を及ぼし始める。従って、0.5℃/s
以上の速度で急速加熱・冷却することが好ましい。以上
のような急速加熱・短時間保持・急速冷却の処理を行う
具体的方法としては、主として低炭素鋼板の再結晶焼鈍
に用いられつつある連続焼鈍炉を有利に用いることがで
きる。
本発明に従って製造した場合、実施例に示される通り
バッチ炉による従来の方法に比べ処理に要する時間は1/
100以下となり、大幅な時間短縮が実現される。また、
球状炭化物径は1μm以下となり、焼入処理に適した鋼
板が製造できる。
なお、本発明の対象鋼種としては、C:0.1〜0.6%,Si:
0.35%以下,Mn:0.3〜1.7%含有する鋼であれば炭素鋼、
クロム鋼に限られるものではなく、特に制限されない。
モリブデン含有鋼などについても同様な効果が得られ、
例えば、機械構造用炭素鋼(S10C〜S58C)、マンガン鋼
(SMn420〜SMn443)、クロム鋼(SC415〜SCR445)、
クロムモリブデン鋼(SCM415〜SCM445)などが本発明の
対象鋼種として挙げられる。
<実施例> 次に本発明の実施例を比較例と共に説明する。
実施例1 表1に示した化学組成の鋼スラブを1200℃に加熱後、
連続熱間圧延機により表2に示す種々の熱延条件および
冷却条件にて1.6mm厚の熱延鋼板とした。その後、30%
の冷間圧延を施した後、連続焼鈍炉により700℃×120秒
の熱処理を行った。また、比較のため同一材を通常の熱
延条件にて製造した熱延鋼板を箱型焼鈍炉にて700℃×1
2時間熱処理を行った結果も表2に示す。なお、A,B,C鋼
のそれぞれのAr3,A1,Ms(Ms+Mf)/2の温度を表1に併
せて示す。
No.4,7,12,15,19,22は熱延後にマルテンサイト組織が
残存したため、大きな冷却圧下率はとれずいずれも10%
以下である。表2から明らかなように、いずれの鋼でも
本発明の範囲内でのみ熱延後に目的とするフェライト+
ベイナイト組織またはベイナイト+焼戻しマルテンサイ
ト組織が得られ、短時間の熱処理で長時間熱処理材と同
程度まで軟質化し、十分に球状化が完了し、しかも炭化
物は非常に微細である。本発明範囲外で、他の組織が生
成する場合には短時間熱処理では軟質化はできない。
実施例2 実施例1に示したNo.1(A鋼),No.8(B鋼),No.16
(C鋼)の熱延板を用いて、0〜50%の圧延率で冷間圧
延を施した後、700℃×120秒の熱処理を行い、炭化物の
球状化率を調査した。また、同材料を用いて、30%冷間
圧延後400〜800℃×10秒〜12時間の熱処理を施し、軟化
程度を調査した。第1図は球状化率に及ぼす冷延圧延率
の影響を示したものである。本発明によれば冷延圧延率
が10%以上で球状化が十分に完了することは明らかであ
る。また、冷延圧延率が50%を越えると鋼板端部に耳割
れが発生し冷延が不可能であった。第2図は加熱時間12
0秒での加熱温度と硬度の関係を示したものである。い
ずれの鋼でも再結晶温度以下では十分な軟質化が生じて
おらず、一方、A1点以上では層状炭化物が生じるため急
激に硬化しており本発明の目的を達成し得ない。第3,4
図はそれぞれ加熱温度700℃での加熱時間と硬度および
炭化物径の関係を示したものである。いずれの鋼でも加
熱時間が30秒未満では十分な軟質化が生じておらず、一
方、600秒超えでは炭化物の粗大化が生じ、径が1μm
を越え本発明の目的を達し得ない。
<発明の効果> 上記から明らかなように、本発明の方法によれば鋼中
に存在する層状炭化物の球状化処理をごく短時間に行
え、かつ微細な球状化炭化物が得られる。従って本発明
は省エネルギーおよび生産性の向上に大きく貢献するも
ので、工業的価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は冷間圧延率と球状化率の関係を示すグラフ、第
2図は球状化焼鈍における加熱温度と硬度の関係を示す
グラフ、第3図は球状化焼鈍における加熱時間と硬度の
関係を示すグラフ、第4図は球状化焼鈍における加熱時
間と炭化物径の関係を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 英夫 千葉県千葉市川崎町1番地 川崎製鉄株 式会社技術研究本部内 (56)参考文献 特開 平2−221324(JP,A) 特開 平2−225619(JP,A) 特開 昭58−207325(JP,A) 特公 昭63−14045(JP,B2) 特公 昭54−27821(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C21D 8/02 - 8/04 C21D 9/46,9/48 C21D 1/32

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炭素鋼または合金鋼にAr3以上の温度域で
    熱間圧延を施し、その後30℃/s以上で冷却し500℃からM
    sの温度範囲で巻取り、ついで10%以上の冷間圧延を施
    した後、再結晶温度以上、A1以下の温度に加熱して30秒
    以上600秒以下保持することを特徴とする微細な球状化
    炭化物を有する炭素鋼または合金鋼板の製造方法。
  2. 【請求項2】炭素鋼または合金鋼にAr3以上の温度域で
    熱間圧延を施し、その後30℃/s以上で冷却しMsから(Ms
    +Mf)/2の温度範囲で巻取り、ついで10%以上の冷間圧
    延を施した後、再結晶温度以上、A1以下の温度に加熱し
    て30秒以上600秒以下保持することを特徴とする微細な
    球状化炭化物を有する炭素鋼または合金鋼板の製造方
    法。
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