JP4415009B2 - 鋼の熱加工制御のための方法 - Google Patents

Description

本発明は鋼の熱加工制御のための、請求項１の上位概念に記載の形式の方法に関する。

ドイツ連邦共和国特許第４３４０５６８Ｃ２号明細書に記載の鋼線材の連続的な熱処理のための方法は、次の工程を含んでおり、
− 線材をオーステナイト域の温度に８５乃至１００℃／ｓの速度で急速加熱し、
− 鋼線材をオーステナイト域で１０乃至６０秒(ｓ)の時間にわたって保持し、
− 鋼線材を室温まで所定の速度＞８０℃／ｓで急冷し、
− 焼き戻し温度への急速加熱を８５乃至９５℃／ｓの速度で行い、
− 焼き戻し温度での保持を１０乃至１００秒の時間にわたって行い、
− 線材を、水冷にとって一般的な速度＞５０℃／ｓで冷却する。

工程２と３との間で線材は直接にAc3-温度以上で圧延されるようになっている。この場合に、線材は第１の孔型で楕円造型され、かつ第２の孔型で円形造型され、次いでゲージノズルを通して引き出される。

ドイツ連邦共和国特許第１９５４６２０４Ｃ１号明細書には、調質鋼から成る高強度の部材の製造法及びばねの製造法を記載してある。質量％で０．４〜０．６％のＣ、１％以下のＳｉ、１．８％以下のＭｎ、０．８〜１．５％のＣｒ、０．０３〜０．１０％のＮｂ、０〜０．２％のＶ及び残りは鉄から成る鋼は次のように処理され、即ち、
− 素材はオーステナイト域の１０５０乃至１２００℃の温度で焼きなましされ、
− 次いでただちに素材は第１段階において再結晶温度より高い温度で熱間加工され、
− 次いでただちに素材は第２段階において再結晶温度より低くかつAc3-温度より高い温度で熱間加工され、
− 次いで圧延製品は、後続の加工及び処理過程の実施のためにAc3-温度より高い温度に保持され、
− 次いでマルテンサイト温度以下に冷却され、
− 最終的に焼き戻しされる。

ドイツ連邦共和国特許第１９６３７９６８Ｃ２号明細書には、板ばね及び／又は板ばねリンク用のばね板の高温熱加工制御処理のための方法を記載してあり、該方法は二段階の熱加工制御式の放物線形ばね製造法をベースとしている。該製造法は次の工程（ステップ）を含んでおり：
− 素材は４℃／ｓ乃至３０℃／ｓの加熱速度でオーステナイト化温度に加熱され、
− オーステナイト化温度は１１００±１００℃であり、
− 素材はオーステナイト化温度から１０℃／ｓ乃至３０℃／ｓの冷却速度で第１の圧延段階の温度に冷却され、
− 次いで素材は、まず第１の圧延段階において１０５０±１００℃の温度で、１つ若しくは複数の孔型によって、ばね板の長さにわたって一定でない１５％乃至８０％の形状変化を伴って前圧延（予備圧延若しくは粗圧延）され、
− 第１の圧延段階の温度から第２の圧延段階の温度に１０℃／ｓ乃至３０℃／ｓの冷却速度で冷却され、
− 第２の圧延段階において８８０±３０℃の温度で、荷重の下で調節可能なロールから成る１つ若しくは複数の孔型によって、ばね板の長さにわたって一定な１５％乃至４５％の形状変化を伴って仕上げ圧延される。

さらにドイツ連邦共和国特許第１９８３９３８３Ｃ２号明細書には、トーション負荷されるばね部材用の鋼の熱加工制御のための方法を記載してあり、この場合には素材は再結晶以上の温度に加熱され、次いで再結晶以上の温度で少なくとも二回の変形段階で変形されて、オーステナイトの動的再結晶及び／又は静的再結晶を生ぜしめるようになっている。このようにして形成された変形製品の再結晶化されたオーステナイトは、焼き入れされかつ焼き戻される。炭素含有量０．３５乃至０．７５％の珪素クロム鋼を用いるようになっており、該鋼はバナジウム若しくはほかの合金材料を微量合金されている。

鋼から成る対象物若しくは構成部材の熱加工制御の前記公知技術は、複数回の変形段階（変形工程）をベースにしており、この場合には、最終製品に適合されたパラメータを得るために素材の複数回の加熱及び冷却を必要としている。

本発明の課題は、鋼の、請求項１の上位概念に記載の形式の熱加工制御若しくはオースフォーミングのための方法を改善して、最終製品の負荷分布に適合された特性を生ぜしめるようにすることである。

前記課題は、請求項１に記載の特徴を有する方法によって解決される。

本発明の有利な実施態様を請求項２乃至２４に記載してある。

本発明に基づく方法では、素材（出発材料）を、まず再結晶温度以上の温度で加熱し、次いで棒材全長にわたる温度均一化を行う。次いで、棒材の加熱温度はほぼロール間隙内への送り込みまで一定に維持される。該作業工程で、棒材のできるだけ均質な組織構造を棒材の長さにわたっても横断面にわたってもロール間隙の入口側で達成するようになっており、このことは後続の変形加工過程にとって効果的である。斜めに配置されたロールによる特殊な圧延、即ち斜交ロール圧延によってかつ圧延パラメータの規定によって、一回の変形過程で棒材の縁部領域での材料の所定のねじれ及び棒材横断面にわたる変形勾配を生ぜしめることができる。斜交ロール圧延の際の変形方向は、圧延製品軸線に対して斜めに延びており、かつ変形の最大値は棒材の縁部領域にあるので、変形に基づく組織の伸びは縁部領域で得に強く生じており、かつ組織の伸びは変形方向に相応して同じく圧延製品軸線に対して斜めに延びている。臨界の変形率を超えると、動的再結晶過程は縁部区域で特に急速に進行し、これによって棒材横断面の外側から内側に向かって再結晶率の勾配は規定される。加工過程の後に行われるAc3点以上の温度での追加加熱中に、静的再結晶化を終えるようになっており、静的再結晶化は特に縁部区域に微粒のオーステナイトを形成する。焼き入れ及びこれに続く焼き戻しによって、縁部区域は強度の高い微細なマルテンサイト組織を示す。

本発明は、公知技術の手段に比べて著しい利点を有している。一回（一段）のロール間隙通過（パス）の際の斜交ロール圧延による変形加工とこれに適合された所定の熱処理との組み合わせの結果として、処理された棒材は棒材の横断面にわたって縁部領域で最大値に達する強度特性分布を有している。丸棒材の縁部領域における斜交ロール圧延に基づくねじり方向は、トーション負荷（ねじり負荷）される構成部品の主応力方向に相応しており、これによって得られる棒材の特性は、ばねへの使用にとって最適な条件を満たしている。本発明の方法によって棒材横断面にわたって得られる組織分布は、仕上げ処理された丸棒材において、曲げ負荷及びトーション負荷の際の棒材横断面にわたる応力分布に適した特性分布を成している。

有利な強度特性を得るために１つの変形工程しか必要とされず、かつ後続の複数の処理過程は１つの熱で行われ、即ち、素材（出発材料）に対しても１つの加熱過程しか必要とされず、これによってエネルギー及び時間の節減を達成することができる。従って本発明に基づく方法は、最終製品において改善されて負荷に対して最適な強度及び靱性特性によってだけではなく、工程の最小数に基づく経済的な利点によっても優れている。

有利には、丸棒の形状の素材は、１００乃至４００K／ｓの加熱速度で７００乃至１１００℃の温度に誘導加熱される。続いて、棒材の加熱温度の棒長さにわたる均一化は少なくとも１０秒の時間にわたって行われる。これによって、棒長さにわたる温度差が５Ｋを越えないようになっている。適当な追加加熱装置（後加熱装置若しくは補助加熱装置）を用いて、棒材の加熱温度はロール間隙内への入り込みまで一定に保持される。棒材の変形自体は、斜交ロール圧延によって一回のロール間隙通過で行われ、この場合に棒材は直線状態に保たれたままロール間隙内を通過する。素材の材料に依存して、有利には７００〜１１５０℃の温度領域で変形を行う。素材直径（出発直径）／仕上げ直径（最終直径）の直径比は、棒材の斜交ロール圧延が１．３以上の平均的な伸び率λで行われかつ変形の最大値が少なくともΨ＝０．３であるように選ばれる。圧延パラメータ、例えばロール回転数若しくは送り速度の適切な調節によって、かつロール輪郭及びロール角度の適当な選択によって、縁部領域若しくは周壁領域の変形の最大値は棒材の直径の０．６５乃至１．０にされ、棒横断面にわたる所望の変形勾配が生ぜしめられる。有利には斜交ロール圧延過程は、圧延部材内での局所的な最大の温度上昇が５０Ｋを越えないように制御される。

変形加工によって臨界の変形率を超えると、動的再結晶化過程を進行させることになり、該動的再結晶化過程は、棒材の縁部区域で最大の変形に基づき棒材の中心部領域（コア領域）よりも強く生じる。棒材横断面にわたって変形勾配を形成するための前記適当な処置によって、すでに動的再結晶化の経過中に、圧延材横断面にわたる段階的な組織分布の最初の徴候は生じることになる。本発明に基づき圧延されて再結晶化した状態の棒材の金属組織検査は、棒材の縁部区域から中心部領域へ向かってオーステナイト微結晶の割合の著しい減少を示している。

圧延材横断面にわたる段階的な組織構造は、特殊な斜交ロール圧延若しくは制御圧延によってさらに強められる。斜交ロール圧延に際して変形方向は圧延材軸線に対して傾斜して延びており、その結果、特に圧延材の縁部領域では高い変形量に基づき組織の伸び（伸張）を生ぜしめることになる。組織の伸びも、変形方向に相応して圧延材軸線に対して傾斜して延びることになり、縁部領域に材料のねじれを生ぜしめる。本発明の実施態様では、棒材の縁部領域の組織のねじれ方向は、丸棒の縦軸線（長手方向軸線）を基準として３５乃至６５度であって、その結果、トーション負荷される構成部品の主応力方向に相応している。

本発明の一実施態様による一段の斜交ロール圧延においては、圧延すべき棒材は棒材の全長にわたって、一定のロール間隙を通過するようになっている。このような手段は、棒材を棒材全長にわたって一様な直径で形成したい場合に選ばれる。本発明に基づく方法は異なる別の実施態様を可能にするものであり、該実施態様では、ロール間隙は、圧延すべき棒材が運転状態で該ロール間隙を通過中に間隙開度を変化させられるようになっている。このような調節可能な圧延作業は、ロールを必要に応じて変形加工中に軸線方向若しくは半径方向に調節可能に構成された斜交ロール圧延スタンドによって実施される。このような実施態様によって、長さにわたって直径の変化した丸棒を製造することができる。斜交ロール圧延された棒材は、圧延スタンドからの走出の直後にAc3点以上の温度での追加加熱（後加熱）を施される。追加加熱は、棒材の長さにわたる温度差を５Ｋまでに制限するように行われる。

斜交ロール圧延されかつ再結晶温度に追加加熱された棒材は、使用目的に応じて所定の１つの熱のもとでコイルばねに巻かれ、若しくはスタビライザーに湾曲される。巻かれた若しくは湾曲された構成部品は、続いて焼き入れされ、次いで焼き戻しされる。棒状ねじりばねの製造のために用いられる棒材は、追加加熱の後に冷間状態で端部を機械的に加工され、次いでAc3点以上の温度に加熱されて、焼き入れされかつ焼き戻しされる。

最終処理若しくは仕上げ処理された棒材の顕微鏡検査は、斜交ロール圧延と熱処理との本発明に基づく組み合わせの結果として得られた棒材横断面にわたる特徴的な組織分布を示している。外周面に直接接する縁部区域は、強度の高い微粒のマルテンサイト組織を有している。縁部領域は、組織の、棒材軸線に対して傾斜する一貫した伸びを生ぜしめており、該組織の伸びのねじれ方向は、トーション負荷される構成部品の主応力方向に相当している。中心部領域におけるパーライト・マルテンサイトの混合組織は、粒子が縁部領域の組織よりも粗く、ねじれ現象が生じていない。

完成品の最適な靱性及び強度パラメータを得るために本発明に基づく方法では、素材（出発材料）としてばね鋼、有利には炭素含有量＜０．８％の珪素クロム鋼を用いる。別の実施態様では素材は、バナジウム若しくはニオビウムを微量含有された合金鋼から成っている。

以下に本発明を図示の実施例に基づき説明する。

唯一の図面は、珪素クロム鋼から成る丸棒鋼の本発明に基づく熱加工制御のための連続処理ラインの原理的な構成を示している。

処理すべき棒材は、誘導加熱装置１内で再結晶温度を越える温度に加熱され、この場合に組織はオーステナイト状態になる。図示の実施例では、丸棒鋼は１３０K／ｓの加熱速度で９８０℃の温度に加熱される。誘導加熱装置１の後に接続された均熱炉２内では、１５秒(ｓ)の時間にわたって丸棒鋼の加熱温度の均一化を行い、その結果、丸棒鋼の長さにわたる温度分布は４Ｋの勾配を有している。

均一に加熱された丸棒鋼は続いて、温度保持炉３内に移され、温度保持炉は丸棒鋼の温度をロール間隙の出口側まで保つようになっている。加熱された丸棒鋼は、均熱炉２内でも温度保持炉３内でもローラコンベヤー６，７によって搬送される。

互いに所定の角度をなして配置されたロール対から成る斜交ロール型圧延スタンド４内では、９８０℃に加熱された丸棒鋼は、一回のロール間隙通過で変形加工される。この場合に、素材直径／仕上げ直径の直径比は、λ＝１．５の平均的な伸び率で加工を行ってかつ変形の最大値が少なくともΨ＝０．３であるように選ばれる。圧延パラメータ、例えばロール回転数若しくは送り速度の適当な調節によって、かつロール輪郭及びロール角度の適当な選択によって、縁部領域若しくは周壁領域の変形の最大値は丸棒鋼の直径の０．６５乃至１．０にされて、棒横断面にわたる所望の変形勾配を調節するようになっている。圧延パラメータは、圧延部材内の局所的な最大の温度上昇が５０Ｋを越えないように調節される。斜交ロール圧延若しくは絞り圧延に際して圧延軸線に対して傾斜して延びる変形方向は、圧延部材の縁部領域で組織の著しい伸びを生ぜしめる。組織の伸びは、変形方向に相応して圧延軸線に対して傾斜して延びていて、丸棒鋼の縁部領域で材料のねじれを生ぜしめる。本発明に基づく方法では、組織のねじれ方向は丸棒鋼の縦軸線を基準として３５乃至６５度であり、トーション負荷される構成部品の主応力方向に相当している。

圧延された丸棒鋼は、斜交ロール型圧延スタンド４の出口側から、該スタンドの後に接続された追加加熱炉５内に送られて、該炉内で完全な静的再結晶化を保証するためにAc3-温度以上に加熱される。追加加熱炉５内での丸棒鋼の搬送は、ローラコンベヤー８によって行われる。追加加熱炉５を通過した後に、丸棒鋼は引き渡しローラコンベヤー９によって引き続き搬送される。引き渡しローラコンベヤー９から、丸棒鋼は後続の別の加工過程に移される。

図１には、コイルばねの製造のための製造ラインを概略的に示してある。丸棒鋼は引き渡しローラコンベヤー９から昇降テーブル１０に引き渡されて、そこからＣＮＣ・コイル巻き装置１１へ移されて、コイルばねへのコイル巻き過程若しくは巻成過程は再結晶化の後に行われる。コイル巻き（コイリング）に続いて、今やコイルばねに巻かれた棒鋼は焼き入れ槽１２内に移されて、そこで急冷され、該棒鋼の組織はマルテンサイトに変態される。焼き入れされたコイルばねは、続いて焼き戻し処理を施される。

連続処理ラインの概略図

符号の説明

１ 誘導加熱装置、 ２ 均熱炉、 ３ 温度保持炉、 ４ 斜交ロール型圧延スタンド、 ５ 追加加熱炉、 ６，７，８ ローラコンベヤー、 ９ 引き渡しローラコンベヤー、 １０ 昇降テーブル、 １１ ＣＮＣ・コイル巻き装置、 １２ 焼き入れ槽

Claims (25)

1. 鋼の熱加工制御のための方法であって、素材は再結晶温度以上の温度で加熱され、オーステナイト化されて温度を均一に保たれ、次いで変形され、次いでマルテンサイトに急冷されかつ焼き戻される形式のものにおいて、丸棒鋼から出発して、丸棒鋼の加熱温度を棒長さにわたって均一にし、丸棒鋼をほぼ直線的な状態で斜交ロール圧延によって、縁部領域での材料の所定のねじりに基づき変形させて、これによって所望の変形勾配を横断面にわたって達成し、この場合に臨界の変形率を越えることによって動的再結晶過程を生ぜしめ、次いでAc3点以上の温度での追加加熱を行った後に焼き入れ及び焼き戻しを行うことを特徴とする、鋼の熱加工制御のための方法。
2. 材料を１００乃至４００K／ｓの速度で加熱する請求項１に記載の方法。
3. 素材を７００乃至１１００℃の温度に加熱する請求項１又は２に記載の方法。
4. 加熱を誘導的に行う請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 棒材の加熱温度の均一化を少なくとも１０秒にわたって行う請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 棒長さにわたる温度差を５Ｋより小さく保つ請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 棒材の加熱温度をほぼロール間隙内への入り込みまで一定に保つ請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 変形を斜交ロール圧延によって一回のロール通過で行う請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 棒材の斜交ロール圧延を少なくともλ＝１．３の平均的な伸び率で行う請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 縁部領域での変形の最大値は棒材の直径の０．６５乃至１．０であり、Ψは少なくとも０．３である請求項８又は９に記載の方法。
11. 棒材の斜交ロール圧延に際して局所的な最大の温度上昇を５０Ｋより小さく保つ請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 丸棒の縁部領域の組織のねじれ方向を、トーション負荷される構成部品の主応力方向に適合させる請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 縁部領域の組織のねじれ方向は、丸棒の軸線を基準として３５乃至６５°である請求項１２に記載の方法。
14. 仕上げ処理された丸棒の横断面にわたる組織分布は、曲げ負荷若しくはトーション負荷の際の横断面にわたる応力分布に適した特性を規定している請求項１から１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 斜交ロール圧延を７００乃至１００℃の温度範囲で行う請求項１から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 斜交ロール型圧延スタンドのロールを、変形加工中に軸線方向若しくは半径方向で調節して、棒長さにわたって直径の変化した丸棒を製造する請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 斜交ロール圧延に続いて行われるAc3点以上の温度での追加加熱の際に、棒長さにわたる温度差を最大５Ｋに制限する請求項１から１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 素材としてばね鋼を用いる請求項１から１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 素材として珪素及びクロム含有の鋼を用いる請求項１から１７のいずれか１項に記載の方法。
20. 素材として微量合金鋼を用いる請求項１から１７のいずれか１項に記載の方法。
21. 斜交ロール圧延されたほぼ直線的な棒材をコイルばねにコイリングする請求項１から２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 斜交ロール圧延されたほぼ直線的な棒材をスタビライザーに湾曲させる請求項１から２０のいずれか１項に記載の方法。
23. 斜交ロール圧延された棒材をトーションバーとしてほぼ直線状に保ち、かつ該棒材の端部を加工する請求項１から２０のいずれか１項に記載の方法。
24. コイリングを、所定の熱での再結晶化と焼き入れ及び焼き戻しとの間に行う請求項２１に記載の方法。
25. 斜交ロール圧延されたほぼ直線的な棒材をスタビライザーに湾曲させるための曲げ加工を、所定の熱での再結晶化と焼き入れ及び焼き戻しとの間に行う請求項２２に記載の方法。

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