JP3073626B2 - 線材の直接熱処理方法 - Google Patents

線材の直接熱処理方法

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JP3073626B2
JP3073626B2 JP05129736A JP12973693A JP3073626B2 JP 3073626 B2 JP3073626 B2 JP 3073626B2 JP 05129736 A JP05129736 A JP 05129736A JP 12973693 A JP12973693 A JP 12973693A JP 3073626 B2 JP3073626 B2 JP 3073626B2
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淳二 西野
達郎 海老原
隆 上野
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は機械構造用炭素鋼或いは
合金鋼系成分の線材であって、特に焼き割れ並びに置き
割れを防止しうる線材の直接熱処理方法に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】従来、ボルトやスタビライザー等に加工
される機械構造用鋼成分からなる線材は、熱間圧延して
所定のサイズに成形した後、所定の組織になるように冷
却する熱処理が施され、その後結束して出荷されてお
り、需要家ではさらに矯直或いは伸線を行うと共に機械
的特性を付与するために焼入れ、焼戻しを実施してい
た。この焼入れ、焼戻し処理は需要家にとってはかなり
の負担であり、そのためにこれらの工程を省略できる圧
延線材の直接熱処理法が既に多く提案されている。例え
ば、特開昭58−164731号公報には、熱延仕上げ
から巻取装置(ループレイヤー)間の冷却ゾーンでマル
テンサイト変態開始(Ms)温度〜Ms+100℃の範
囲で冷却し、その後ループ状(非同心円状リング)に展
開した線材を20℃/s以上の冷速で衝風冷却してマル
テンサイト変態させ、保熱装置を通過させて焼戻し処理
をする直接熱処理する方法が開示されている。
【0003】また、特開昭61−102726号公報に
は、非同心円状リングとした熱延線材を、95℃以下の
酸化性気泡含有の気水混相流体冷媒で冷却し、350〜
500℃で冷却を終了した後、コンベア(線材搬送)速
度を1/3〜1/20に低下して熱保持槽を通過させマ
ルテンサイト変態させただちに自己熱で均一徐冷焼戻し
する直接焼入れ焼戻し方法を提案している。
【0004】後述するように、高温より直接焼入してマ
ルテンサイト変態組織にした熱延線材は、局部的な残留
応力の増加や含有水素に起因して、結束などの応力付加
により焼き割れ或いは遅れ破壊(置き割れ)が発生す
る。前記した特開昭58−164731号公報の提案で
は、焼き割れ或いは置き割れに対する技術開示がなされ
ていない。すなわち、圧延終了温度は一般的な条件を記
述しただけであり、保熱装置の通過はリング状処理であ
るために処理時間が短く(実施例では54秒)、かつ保
熱処理は焼戻しであるため水素対策には不十分である。
特開昭61−102726号公報の開示も同様であり、
自己熱による徐冷が稠密な非同心円状リングであるとし
てもコンベア搬送であるため処理時間が短く、また熱保
持層の緩冷却でマルテンサイト変態させることは焼入れ
不完全(マルテンサイト+ベイナイト混合組織)とな
り、かつリング内で組織並びに機械的性質のバラツキが
大きくなることが予想される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は別工程(オフ
ライン)で行われていた焼入れ処理を省略すべく、従来
提案されていた熱延線材の直接熱処理方法(インライン
焼入れ、焼戻し)の問題点を解消するものであって、各
工程における処理条件を適性にすることにより、特に焼
入れに起因する焼入れ直後に発生する粒界破壊(焼き割
れ)や、焼入れ材の含有水素並びに焼入れ残留応力が起
因する遅れ破壊(置き割れ)を防いで安定した処理を可
能とし、かつ、エネルギー、コストのかからない高い生
産性を実現する線材の直接熱処理方法を提供することを
目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】熱延線材の保有熱を利用
したオーステナイト域からの焼入れで、焼入れ性は結晶
粒度に左右される。すなわち、オーステナイト結晶粒度
が大きいほど焼入れ性は向上するが、結晶粒度を粗大化
して焼入れ性を向上させるに従い粒界破壊(焼き割れ)
が発生しや易くなり、また、遅れ破壊感受性も敏感とな
って後の工程での応力付加により、起き割れが起り易く
なる。局部的に粗大粒(混粒化)が形成された場合も同
様な現象が生じる。従って、これらの現象を抑制するに
は熱延や冷却の条件および後工程の条件を適性に維持す
ることが極めて重要になる。
【0007】本発明はこの様な知見に基づくものであっ
て、機械構造用炭素鋼或いは合金鋼を熱間圧延し、巻取
後冷却してから集束し、さらに結束する工程を含む線材
の製造方法において、Ar3 変態点からAr3 変態点十
200℃の温度範囲で仕上圧延して所定形状にし、か
つ、オーステナイト結晶粒度で8番以上の細粒にした線
材を、Ar3 変態点以上の温度で巻取って連続した非同
心円リング状に形成し、この巻取後、少なくとも線材の
Ms点まで急冷して全断面をマルテンサイト組織として
から集束せしめ、この集束線材を結束するまでの間に1
00℃から450℃の炉雰囲気温度範囲に30分以上保
定することを特徴とする線材の直接熱処理方法を要旨と
する。また、巻取後の線材冷却は、連続的に温水中に浸
漬して行うこと、特に、温水中でさらに温水噴射して冷
却することが好ましい。さらに、巻取後の線材を泡沫中
で冷却する方法も採用することができる。
【0008】
【作用】本発明は所定形状の線材に仕上げる仕上圧延に
おいて、仕上圧延直後の温度が、Ar3 変態点以上Ar
3 変態点+200℃以下の範囲となるように処理するこ
とにより、γ粒度番号(JIS G 0551)で8番以上の細粒と
することができ、このようなγ細粒組織の線材を焼入れ
することにより、粗大粒の焼入れ直後に見られる粒界破
壊(焼き割れ)や遅れ破壊(置き割れ)を起こすことが
ない。すなわち、γ結晶粒の粗大化、および局部的な粗
大化は、焼入れがアンバランスとなって焼き歪みを誘発
し、その結果残留応力の局部的な増加に起因して粒界破
壊或いは応力付加による焼き割れを起す。不均一冷却が
行われた場合も同様であり、そのためにAr3 変態点以
上からの焼入れは、細粒組織の線材を温水、特に沸騰状
態の水中に連続的浸漬して膜沸騰による抜熱冷却する方
法、或いは温水中で20〜99℃の温水を5m/sec以上
の速度で噴射する方法を使用し、これらの方法で均一な
急速冷却を実施して前記破壊を抑止する。また、供給ノ
ズルより高温の非同心リング状線材に泡沫を噴射し、リ
ング密度に応じて泡沫供給量を調整して均一冷却する方
法も採用できる。
【0009】一方、焼入れした線材はコイル状に集束し
さらに結束して出荷されるが、結束に際しては集束コイ
ルの両端からかなり圧力が付加される。処理された線材
には、水素が不可避的に混入しており、また、焼入れ時
に発生した残留応力があり、特に欠陥部などの残留応力
の局部的な増加部分が存在すると、この部分に拡散性水
素が集中侵入し、結束時の応力付加により置き割れを発
生し易くする。そのため結束するまでに、100〜45
0℃の炉雰囲気温度範囲で30分以上の保定処理をし
て、線材内部の残留応力を解放し、かつ、拡散性水素の
除去を行う。
【0010】以下に本発明をさらに詳細に説明する。図
1は本発明を実施する設備ラインの概要を示す。図にお
いて1は加熱炉であり、機械構造用炭素鋼或いは合金鋼
ビレットをオーステナイトの最適温度に加熱し、例えば
標準的には950℃〜1250℃で60〜180分在炉
処理する。処理後抽出したビレットは熱間圧延工程で、
粗−中間圧延機2を経て仕上圧延機3で所定のサイズお
よび形状に造型した線材Sにする。この仕上圧延機3出
側温度により鋼の結晶粒サイズが最終的に決定され、本
発明においては、Ar3 変態点以上であって結晶粗大化
抑制のためにAr3 変態点+200℃以下で行い、具体
的には鋼種に応じAr3 変態点〜1000℃範囲の温度
に制御することにより、γ粒度番号8番以上のγ結晶粒
とすることができる。このような制御をすることによっ
て応力解放および拡散性水素放出処理前の置き割れ発生
を防止できる。
【0011】熱延された線材Sは、Ar3 変態点以上で
巻取機4により連続的に非同心円リング状になって冷却
調整装置5に導入され、オーステナイト域より鋼種に応
じてマルテンサイト確保可能な冷却速度でMs点以下の
温度まで冷却される。例えばSCM435では冷却速度
11℃/sec以上でMs点347℃以下までの冷却が必要
になる。この冷却が不十分であると、完全な焼入れ組織
としての機械的性質が得られないばかりか、断面のミク
ロ組織不均一に起因する残留応力により、保定処理前に
焼き割れが発生する。
【0012】図2(a),(b)は冷却調整装置5の一
例を示すもので、非同心円リング状に形成された熱延線
材Sはコンベア51に移送され冷却槽52落入し冷却処
理される。熱処理装置52には適宜循環する冷却媒体5
3が貯えられ、下方にリング状線材Sを載置して搬送す
るコンベア54を備えおり、線材Sはこのコンベア54
により冷却槽52を移送されながら連続的に焼入れされ
槽外に搬出される。また冷却槽52には冷却効率を上げ
るために温水噴射ノズル55が設けられている。図中5
6はコンベア52を支承する支持体、57は排出口であ
る。
【0013】本発明はこのような冷却調整装置5により
焼入れ処理することが出来るのであり、この場合冷却媒
体として沸騰水を用いることにより、浸漬した高温線材
表面に膜沸騰を生起させて抜熱し、均一冷却を可能にす
る。また、噴射ノズル55より温水噴射を行って、貯溜
した温水を攪拌しながら、或いは線材に吹き付けながら
冷却しても良く、この場合20〜99℃の温水を用い、
5m/sec以上の速度で噴射することによりこの温度で問
題となる沸騰膜の不安定を解消し、安定した均一冷却が
できるようになる。別な方法として泡沫冷却法の使用も
可能であり、熱間リングに供給ノズルより、0.1〜5
0m/secの噴射速度で泡沫を直接供給してリング間を通
過させ、この際、リングの重なり密度に応じて供給量を
調整することが好ましく、このような手段により冷却の
均一化を図ることができる。
【0014】冷却調整装置5で焼入れたリング状線材S
は集束装置6に導かれ、コイルに成形される。次いでこ
のコイルは移載機7に移され、移動しているフックコン
ベア8に移載して結束装置10までの間に設けた保定炉
9に装入される。保定炉9では100〜450℃の炉雰
囲気温度範囲で30分以上の保定処理をして、応力解放
および拡散性水素の除去を行う。応力解放を十分に行う
には100℃以上の温度が必要であり、拡散性水素の除
去には450℃までの温度で十分であるからである。ま
た、応力解放および脱水素のためには30分以上の保定
時間が必要である。なお、冷却完了から保定開始までの
時間は、これがあまり長くなると拡散性水素の応力集中
部への集合が起こり、置き割れが発生する可能性がある
ので8時間以内とするのがよく、30分以内とすること
がより好ましい。
【0015】このように処理されたコイル線材は結束装
置10でコイル両側より加圧され、結束するが、上記し
た一連の処理により、焼き割れや置き割れの原因が除去
されており、従って結束時の応力付加による欠陥の発生
もなく、製品11を安定して供給できる。
【0016】
【実施例】表1に示す成分からなる162mm角の鋼片
を、図1,2に示す工程に準じて表2に示す条件で熱間
圧延、冷却(焼入れ)および保定処理を実施し、保定前
および結束後の割れ発生状況をコイルの巻き戻しを行な
って全長を調査した。比較のために本発明から外れた条
件で処理した試料を併記した。結果を機械的性質ととも
に表3に示す。
【0017】
【表1】
【0018】
【表2】
【0019】
【表3】
【0020】比較例である試番6および10は熱延仕上
温度が高いためγ粒が粗く、試番7と11は集束から保
定間での時間が長い材料であるため、これらは何れも保
定前に焼き割れが発生している。また、試番8と12
は、保定温度が低く、試番9と13は保定時間が短いた
めに何れの試料も結束後に置き割れが発生している。こ
れに対して本発明試料は結束前後での焼き割れ、置き割
れはまったく発生しておらず、良好な結果を示してい
る。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、線
材熱間圧延工程内(インライン)で熱間圧延熱を利用し
た直接焼入れ処理した鋼線材が、その後の保定処理を組
み合わせることにより焼き割れ或いは置き割れ等の問題
が全くなく製造が可能となり、また従来のオフライン焼
入れ焼戻し工程に比し、エネルギー、コスト上、および
設備面で極めて有利であり、また高生産性を実現できる
ため工業的効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明法を実施する装置列例の概要を示す説明
図。
【図2】(a)は本発明法を実施する冷却調整装置の一
例を示す説明図。(b)は(a)図のA−A線断面図。
【符号の説明】
1 加熱炉 2 粗・中間圧延機 3 仕上圧延機 4 巻取機 5 冷却調整装置 51 コンベア 52 冷却槽 53 冷却媒体 54 コンベア 55 噴射ノズル 56 支持体 57 排出口 6 集束装置 7 移載機 8 フックコンベア 9 保定炉 10 結束機 11 製品
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安澤 典男 北海道室蘭市仲町12番地 新日本製鐵株 式会社 室蘭製鐵所内 (56)参考文献 特開 昭58−164731(JP,A) 特開 昭54−66310(JP,A) 特開 昭57−177934(JP,A) 特開 昭59−23825(JP,A) 特開 昭63−105933(JP,A) 特開 昭63−250421(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C21D 1/26,8/06,9/52

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 機械構造用炭素鋼或いは合金鋼を熱間圧
    延し、巻取後冷却してから集束し、さらに結束する工程
    を含む線材の製造方法において、Ar3 変態点からAr
    3 変態点十200℃の温度範囲で仕上圧延して所定形状
    にし、かつ、オーステナイト結晶粒度で8番以上の細粒
    にした線材を、Ar3 変態点以上の温度で巻取って連続
    した非同心円リング状に形成し、この巻取後、少なくと
    も線材のMs点まで急冷して全断面をマルテンサイト組
    織としてから集束せしめ、この集束線材を結束するまで
    の間に100℃から450℃の炉雰囲気温度範囲に30
    分以上保定することを特徴とする線材の直接熱処理方
    法。
  2. 【請求項2】 巻取後の線材を温水中に浸漬して冷却す
    ることを特徴とする請求項1記載の線材の直接熱処理方
    法。
  3. 【請求項3】 温水中でさらに温水噴射して冷却するこ
    とを特徴とする請求項記載の線材の直接熱処理方法。
  4. 【請求項4】 巻取後の線材を泡沫中で冷却することを
    特徴とする請求項1記載の線材の直接熱処理方法。
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CN114082780B (zh) * 2021-11-20 2024-03-08 酒泉钢铁(集团)有限责任公司 一种降低大规格高碳钢线材残余应力的生产工艺

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