JP3544625B2 - 熱間圧延直接焼入れ棒鋼とその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、棒鋼圧延後の直接焼入れにより表層だけを硬化させた直接焼入れ棒鋼およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造用部品の製造方法には、一般に、引き抜きや熱間鍛造・冷間鍛造のように、素材棒鋼・線材から形を作る工程と、焼入れ焼戻し、高周波焼入れ、浸炭熱処理など、硬さや靭性を調整する工程とがあり、これらの加工をうまく組み合わせて、最終部品ができている。
【０００３】
一方、工業的には、部品の材質の向上と共に、コストの低減が大きな課題であり、鋼素材の熱間圧延直後の直接焼入れ法は、鋼の省合金・低コスト化と部品製造工程の簡省略化をもたらすものとして、従来より検討されてきたものである。
【０００４】
例えば、特公平２−２９２７号公報「低温用棒鋼の製造方法」には、棒鋼の低温靭性を低コストで向上させるために、直接焼入れ技術が効果的であることが示されており、特開昭６２−８６１２５号公報「高強度高靭性熱間圧延鋼材の製造方法」には、特定範囲の成分の鋼に直接焼入れを適用し、中心部まで過冷組織とすることで、棒鋼全体として高強度高靭性化が可能であることが開示されている。また、中炭素鋼を対象として、直接焼入れして表層をソルバイト組織に制御し、その後の高周波焼入れ性を高める方法が、特公平６−７２２５９号公報に示されている。
以上の従来のような直接焼入れ棒鋼の技術的要点は、直接焼入れおよび自己焼戻しであり、少なくとも表層の組織を焼戻しマルテンサイトとすることである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
棒鋼表層の硬化方法のひとつに高周波焼入れ法がある。高周波焼入れは、それ自体がコストがかかる上、輸送や在庫などの付帯コストも必要とされる。よって、熱間圧延後の直接焼入れで、高周波焼入れ−焼戻し材と同等の表面硬さを備えた棒鋼が得られれば、大きなコスト低減と、工期短縮が実現できる。本発明の課題の一つは、棒鋼熱間圧延直後の直接焼入れ技術を適用して、高周波焼入れ−焼戻し品と同等の硬さ分布、特に表層硬さを得ることである。
【０００６】
さらに、これまでの直接焼入れ技術では、どうしても表面硬さが均一とならず、時として棒鋼の同一断面内での硬さのバラツキの上下限差がビッカース硬さで１００ポイントにもなる場合があった。よって、本発明の２つ目の課題は、高周波焼入れ−焼戻し品と同等の硬さ分布を有する直接焼入れ棒鋼を製造する際、従来技術の適用では不可避であった表層硬さのバラツキを解消することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を有利に解決するものであり、その構成は次の通りである。
（１）質量％で、Ｃ：０．３〜０．６％と、Ｍｎ：０．１〜０．７％およびＣｒ０．１〜０．７％のうち１種または２種と、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．００２０〜０．００８０％未満とを含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりなり、Ｃｅｑが０．６１％以下で、表面から２ｍｍ以下の深さまでが焼戻しマルテンサイト組織、表面から５ｍｍ以上の深さの組織がパーライト組織、またはフェライト・パーライト組織であり、表層硬さがＨｖ４００以上、表層から５ｍｍの深さの硬さがＨｖ３５０以下であることを特徴とする熱間圧延直接焼入れ棒鋼。
Ｃｅｑ（％）＝（％Ｃ）＋（％Ｍｎ）／５＋（％Ｃｒ）／９
（２）さらに質量％で、Ｓ：０．０１〜０．２０％、Ｐｂ：０．０１〜０．２５％、Ｃa：０．０００２〜０．００２０％、Ｔｅ：０．０００５〜０．００５０％、Ｂｉ：０．０１〜０．２５％のうち１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項１記載の熱間圧延直接焼入れ棒鋼。
（３）請求項１または２記載の組成の鋼を熱間圧延する際、仕上げ圧延温度を、８７０℃以上とし、圧延後直ちに急冷し、急冷終了後の鋼材表面復熱温度ＴＲを下式の範囲に制御して、表面から２ｍｍ以下の深さまでを焼戻しマルテンサイト組織、表面から５ｍｍ以上の深さの組織がパーライト組織、またはフェライト・パーライト組織とすることを特徴とする熱間圧延直接焼入れ棒鋼の製造方法。
ＴＲ≦２４０＋３２６√（％Ｃ）
である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
棒鋼の直接焼入れにおいては、鋼材の熱間圧延直後、オーステナイト組織であるＡ_３ 温度以上から水冷し、鋼が水冷帯を通過する間の一定時間冷却した後、自然放冷する。この放冷過程において、鋼材内部に蓄積された熱で表層が復熱し、焼入れ層が焼戻しされる。また、内部の組織と硬さは、鋼成分と変態温度域の冷却速度との関係で決まる。
【０００９】
本発明においては、高周波焼入れ部品と同等の硬さ分布を実現し、かつ、表層硬さバラツキを抑制するため、以下の手段を用いる。
▲１▼表層部の焼入れ硬さと焼入れ深さの調整
焼入れしたマルテンサイトの硬さは、炭素量によって決まるが、焼入れ後、復熱して焼戻されるため硬さが低下する。よって、所定の硬さを得るため、炭素量と焼戻し温度を制御する。
また、本発明においては、高周波焼入れ材と同等の比較的薄い焼入れ層をつくるため、熱間圧延直後焼入れした時、マルテンサイトとなる臨界の最低冷却速度が大きくなるように成分を調整しなければならない。よって、目的とする硬さを炭素含有量と復熱温度で調整し、焼入れ深さをＭｎ、Ｃｒ含有量で調整する。
復熱温度は、棒鋼の直径、仕上げ温度、及び、棒鋼が冷却装置を通過する際の冷却時間で決まるので、これらを適宜調整することで、所望の復熱温度を決定する。
【００１０】
▲２▼表層焼入れ部の安定化
焼入れ層を薄くした場合、通常は必然的に焼入れ部においても組織のバラツキが発生しやすくなる。その原因のひとつが低温仕上げ圧延である。これまでは、低温圧延を行って焼入れ後の復熱温度を低減し、表層硬さを高めようとするのが通常の操業であったが、その結果、焼入れされるまで表層部に加工転位が残り、焼入れ時に焼きが入りにくくなるのである。本発明においては、この現象を抑制するため、従来とは逆に高温仕上げを行う。
高温仕上げは、仕上げ圧延後、焼入れまでの回復、再結晶を促進する。また、回復、再結晶を抑制するＡｌＮ等の析出物粒子は低減する。
【００１１】
▲３▼内部硬さ
鋼材内部は、靭性と被削性を向上させるため、５ｍｍ深さの硬さをビッカース硬さで３５０以下に調整するが、そのためには、少なくとも中心部組織をパーライトあるいはフェライト・パーライト組織とし、軟質化しなければならない。熱間圧延直接焼入れ法においては、鋼材内部といえども、冷却速度は大きく、パーライトあるいはフェライト・パーライト組織に調整しても、ある程度硬化することは避けられない。このため、本発明の炭素当量は中炭素鋼としては非常に小さい範囲に調整する。
【００１２】
次に、本発明の限定理由を詳細に述べる。
Ｃ：０．３〜０．６％
Ｃは直接焼入れ時の表層マルテンサイト層の硬さを高める。表層ビッカース硬さ４００以上を確保するために少なくともＣ：０．３０％以上が必要である。しかし、Ｃ量が多すぎると、焼入れ深さが大きく、かつ内部硬さが高くなるため、０．６％以下に限定する。
【００１３】
Ｍｎ：０．１〜０．７％およびＣｒ：０．１〜０．７％
ＭｎとＣｒは焼入れ深さを調整するために少なくともいずれか１種添加する。焼入れ深さを調整するため、いずれかを０．１％以上添加することが必要であるが、いずれも０．７％を超えて添加した場合、焼入れ深さが大きくなり、また、５ｍｍ深さでＨｖ３５０超となる場合がある。
【００１４】
Ａｌ：０．００５〜０．０５０％、Ｎ：０．００２０〜０．００８０％
ＡｌとＮは比較的低温で圧延した場合にＡｌＮとして析出し、圧延後の再結晶を遅らせて、表層の焼入れバラツキの原因となる。よって、ＡｌとＮは低減することが望ましい。Ａｌは脱酸剤であり、必要な脱酸を行うため、０．０５０％を上限とするが、製造コストの観点から０．００５％を下限とする。
Ｎについては、ＡｌＮ生成防止のため０．００８０％以下に限定するが、０．００２０％未満としても効果が飽和し、また製造コストが高くなる。
【００１５】
Ｓ：０．０１〜０．２０％、Ｐｂ：０．０１〜０．２５％、Ｃａ：０．０００２〜０．００２０％、Ｔｅ：０．０００５〜０．００５０％、Ｂｉ：０．０１〜０．２５％
これらの元素はいずれも一般的な被削性向上元素であり、１種または２種以上を選択して添加しても、本発明の効果に影響しない。被削性向上の効果を期待するためには、Ｓ：０．０１％以上、Ｐｂ：０．０１％以上、Ｃａ：０．０００２％以上、Ｔｅ：０．０００５％以上、Ｂｉ：０．０１％以上が必要である。一方、Ｓ：０．２０％超、Ｐｂ：０．２５％超、Ｃａ：０．００２０％超、Ｔｅ：０．００５０％超、Ｂｉ：０．２５％超、を添加した場合、製造コストが大きくなる。
【００１６】
Ｃｅｑ：０．６１％以下、及び、５ｍｍ以上の深さでのビッカース硬さが３５０以下
Ｃｅｑ（％）＝（％Ｃ）＋（％Ｍｎ）／５＋（％Ｃｒ）／９は、鋼がフェライト・パーライト組織、あるいはパーライト組織となったときの硬さを予測するための炭素当量式である。フェライト・パーライト組織の硬さは炭素当量と冷却速度で決定され、本発明では、直径２５ｍｍの鋼材を、通常の直接焼入れをした場合、表面から５ｍｍ以上の深さでのビッカース硬さが３５０以下となるように０．６１％以下に限定し、靭性と被削性を確保する。
【００１７】
表面硬さＨｖ４００以上
高周波焼入れ−焼戻し品と代替可能とするため、硬さＨｖ４００以上とする。表層硬さをＨｖ４００以上とすることで、高周波焼入れ−焼戻し品と同等の表層硬さと強度を付与する。
【００１８】
仕上げ圧延温度：８７０℃以上
仕上げ圧延後、直接焼入れまでの回復、再結晶を促進して硬さバラツキを抑制するため、仕上げ温度を８７０℃以上に限定する。一定の冷却条件下では仕上げ温度が高いほど、復熱温度も高くなり、表層硬さが低下するが、復熱温度は直接焼入れ設備の冷却能力にも依存するものであるから、設備条件が許す範囲で仕上げ温度を決定することができる。
【００１９】
ＴＲ≦２４０＋３２６√（％Ｃ）
直接焼入れ終了後、鋼材表層は復熱されて焼戻しマルテンサイトとなるが、焼戻しマルテンサイトの硬さは、炭素量と復熱温度ＴＲで決定される。表層硬さをＨｖ４００以上とするためには、炭素含有量と復熱温度の関係をＴＲ≦２４０＋３２６√（％Ｃ）とする必要がある。
【００２０】
【実施例】
表１に示す成分の鋼を２トン真空溶解炉にて溶製し、分解圧延で断面１６２ｍｍ角のビレットとした後、表２の条件で棒鋼に圧延し、圧延機に引き続く水冷装置を通過させることにより、直接焼入れを行った。直接焼入れ後は、冷却床にて自然放冷し、放冷中の最高温度を復熱温度として測定した。これらの棒鋼の表層硬さ、焼入れ深さ、５ｍｍ深さの硬さを測定し、結果を表２に示した。
【００２１】
表層硬さは、同一水準棒鋼それぞれの５つの断面上において、表面から０．２ｍｍの位置２４点を測り（５断面×２４点＝１２０点）、表層硬さの平均値とバラツキ（標準偏差σ）を求めた。また、それぞれの断面の中心を通る直径方向の断面内硬さ分布を測定し（５断面×直交する２方向＝１０方向）、焼入れ深さの平均値、５ｍｍ深さを求めた。ここで、焼入れ深さは焼戻しマルテンサイト組織となっている深さであるが、組織観察上、マルテンサイトに少量のベイナイトが混入しても判別が困難であるので、硬さが表層部の９０％に低下する深さを焼戻しマルテンサイト組織である深さとした。
【００２２】
本発明の鋼を用いた場合、その焼入れ深さは２．０ｍｍ以下である。一方、Ｃ量の多いＮｏ．６、Ｍｎ量あるいはＣｒ量の多いＮｏ．８、９、１３の比較鋼を用いた場合、焼入れ深さが２．０ｍｍを超えている。Ｎｏ．７はＣ量が低いため、表層硬さがビッカース４００未満である。Ｃ量の少ないＮｏ．７および、ＭｎとＣｒ量が少ないＮｏ．１０、ＡｌあるいはＮ量の多いＮｏ．１１、１２は、硬さバラツキが大きい。５ｍｍ深さの硬さは、ほぼ炭素当量Ｃｅｑに依存しており、Ｃｅｑが０．６１％以下である本発明の鋼の内部硬さがＨｖ３５０以下であるのに対し、比較例の水準Ｎｏ．６、１３はＨｖ＝４１６、３６６と硬くなっている。
【００２３】
なお、表２の水準Ｎｏ．２１、２２のように、本発明の鋼（鋼Ｎｏ．１）を用いても、仕上げ温度が８７０℃未満であると（Ｎｏ．２１）、硬さバラツキが大きくなり、また、復熱温度がＴＲを超えると（Ｎｏ．２２）、表層硬さがＨｖ４００を下回っている。
【００２４】
【表１】

【００２５】
【表２】

【００２６】
【発明の効果】
本発明に基づく鋼と製造方法で造られた直接焼入れ棒鋼は、特に、高周波焼入れ品と代替できる硬さ分布を有し、かつ、表層硬さバラツキが小さいので、本発明品は棒鋼圧延、直接焼入れままで、特別な熱処理を施すことなく、引き抜き、切削などによる加工を経て機械部品とすることができる。

Claims (3)

1. 質量％で、Ｃ：０．３〜０．６％と、Ｍｎ：０．１〜０．７％およびＣｒ０．１〜０．７％のうち１種または２種と、Ａｌ：０．００５〜０．０５％、Ｎ：０．００２０〜０．００８０％未満とを含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物よりなり、Ｃｅｑが０．６１％以下で、表面から２ｍｍ以下の深さまでが焼戻しマルテンサイト組織、表面から５ｍｍ以上の深さの組織がパーライト組織、またはフェライト・パーライト組織であり、表層硬さがＨｖ４００以上、表層から５ｍｍの深さの硬さがＨｖ３５０以下であることを特徴とする熱間圧延直接焼入れ棒鋼。
   Ｃｅｑ（％）＝（％Ｃ）＋（％Ｍｎ）／５＋（％Ｃｒ）／９
2. さらに質量％で、Ｓ：０．０１〜０．２０％、Ｐｂ：０．０１〜０．２５％、Ｃa：０．０００２〜０．００２０％、Ｔｅ：０．０００５〜０．００５０％、Ｂｉ：０．０１〜０．２５％のうち１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項１記載の熱間圧延直接焼入れ棒鋼。
3. 請求項１または２記載の組成の鋼を熱間圧延する際、仕上げ圧延温度を、８７０℃以上とし、圧延後直ちに急冷し、急冷終了後の鋼材表面復熱温度ＴＲを下式の範囲に制御して、表面から２ｍｍ以下の深さまでを焼戻しマルテンサイト組織、表面から５ｍｍ以上の深さの組織がパーライト組織、またはフェライト・パーライト組織とすることを特徴とする熱間圧延直接焼入れ棒鋼の製造方法。
   ＴＲ≦２４０＋３２６√（％Ｃ）