JP5073534B2 - 棒鋼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、棒鋼の製造方法であり、特に、Ｃ: ０．０５質量％以下を含有するオーステナイト系ステンレス鋼からなる圧延素材を加熱炉及び/又は誘導加熱炉にて加熱し、粗圧延機、中間圧延機及び仕上圧延機にて圧延し、切断機で所定長さに切断する棒鋼の製造方法に関するものである。

一般に、例えば、ＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼からなる棒鋼は、熱間加工された後、伸線、引張、切削などの冷間加工により、ボルト、ナット、ネジなどの小部品に加工され広汎に使用されており、多くの場合、これらの加工に先立って、オフライン熱処理により圧延組織の回復処理と析出した炭化物の溶体化処理が行われる。

その理由は、熱間圧延したままの状態では硬さが高く、そのまま切削加工、伸線、冷間鍛造を行うと断線割れなどが発生し易いばかりでなく、硬いため加工荷重が大きくなり、多大な動力を必要とするとともに、金型、ダイス等の高価な加工工具の損耗が大きくなり不経済であるためである。
また、圧延後の冷却中に炭化物が析出して耐食性が大きく劣化しているためである。

そこで、例えば、特開昭６２−１４６２２１号公報（下記特許文献１）には、仕上圧延前の素材を１１００〜１３００℃の温度範囲に再加熱する段階と、仕上圧延後の高温の素材を８５０〜５５０℃の温度範囲について急冷する段階とを有することにより、冷間加工前の溶体化処理を省略できるオーステナイト系ステンレス鋼線材棒鋼の製造方法が記載されている。

しかし、この特許文献１に記載された方法は、鋼材中のＣ質量％、誘導加熱装置の設置位置、仕上圧延機出側の鋼材温度、冷却条件など、オフライン熱処理を省略できる条件が十分に検討されていなかったため、実現できていなかった。
特開昭６２−１４６２２１号公報

そこで、本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、オーステナイト系ステンレス鋼からなる圧延素材を加熱炉及び/又は誘導加熱炉にて加熱し、粗圧延機、中間圧延機及び仕上圧延機にて圧延するなどの棒鋼の製造工程において、従来冷間加工前にオフラインで施されていた熱処理を省略することができる棒鋼の製造方法を提供することを課題とする。

本発明の要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）Ｃ:０．０５質量％以下を含有するオーステナイト系ステンレス鋼からなる圧延素材を加熱炉及び/又は誘導加熱炉にて加熱し、粗圧延機、中間圧延機及び仕上圧延機にて圧延し、切断機で所定長さに切断する棒鋼の製造方法であって、
前記各種圧延機の入り側または出側もしくは前記粗圧延機または前記中間圧延機内のスタンド間の位置において一ヶ所または二ヶ所以上に設置した誘導加熱装置により鋼材温度を上昇させ、前記切断機入り側における鋼材温度を１０３０℃以上とするとともに、切断後の鋼材を水冷設備にて急速冷却することにより、その後の熱処理工程を省略することを特徴とする棒鋼の製造方法。
（２）前記切断後の鋼材の急速冷却における冷却開始温度を９５０℃以上とし、かつ、該冷却開始温度から５００℃までの冷却速度を４℃/sec以上とすることを特徴とする（１）に記載の棒鋼の製造方法。
（３）前記水冷設備を水スプレ−冷却設備とし、前記切断後の鋼材の上下から水スプレーを上下水量比（上／下）１未満で吹付けることにより当該鋼材の曲がりを３mm/M以下にすることを特徴とする（１）または（２）に記載の棒鋼の製造方法。
＜作用＞
（１）の発明によれば、粗圧延機のスタンド間、及び／又は、粗圧延機と中間圧延機の間に設置した誘導加熱装置により鋼材温度を上昇させ、前記仕上圧延機出側における鋼材温度を１０３０℃以上として熱間圧延で硬化した組織を回復させて軟質化するとともに、切断後の鋼材を水冷設備にて急速冷却して炭化物の析出を抑えて耐食性の劣化を防止することにより、その後の熱処理工程を省略することができる。
（２）の発明によれば、鋼材の急速冷却における冷却開始温度を９５０℃以上とし、かつ、該冷却開始温度から５００℃までの冷却速度を４℃/sec以上とすることにより、炭化物の析出を防止することができる。
（３）の発明によれば、水冷設備を水スプレ−冷却設備とし、鋼材の上下から水スプレーを上下水量比（上／下）１未満で吹付けることにより鋼材の曲がりを３mm/M以下にすることができるので切断機の操業に支障がない。

本発明により、従来は冷間加工前にオフラインで施されていた熱処理を省略することができる棒鋼の製造方法を提供することができるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図１乃至図５を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明を適用する棒鋼の製造設備を例示する図である。

図１において、１は粗圧延機、２は中間圧延機、３は仕上圧延機、４R/Sは切断機、５は冷却床、ＷＢ炉はウォーキングビーム炉（加熱炉）、ＩＨは誘導加熱装置を示す。

まず、棒鋼の圧延素材をＷＢ炉にて例えば１１２５℃まで加熱し、必要な加熱温度まで誘導加熱装置ＩＨにて例えば１２００℃まで加熱して保熱炉にて保熱した後、粗圧延機１、中間圧延機２および仕上圧延機３により例えば合計リダクション８８〜９８％の圧延を行い、切断機４で所定の長さに切断したあと、冷却床５にて冷却することにより種々の外径サイズの棒鋼を製造することができる。

本発明に用いる仕上圧延機３には、精密圧延機などを含む。

本発明の棒鋼の製造方法は、Ｃ: ０．０５質量％以下を含有するオーステナイト系ステンレス鋼からなる圧延素材を加熱炉及び/又は誘導加熱炉にて加熱し、粗圧延機１、中間圧延機２及び仕上圧延機３にて圧延し、切断機４で所定長さに切断する棒鋼の製造方法であって、前記各種圧延機の入り側または出側もしくは前記粗圧延機または前記中間圧延機内のスタンド間の位置（図中に（1）から（6）で示した位置）において一ヶ所または二ヶ所以上に設置した誘導加熱装置により鋼材温度を上昇させ、前記切断機４入り側における鋼材温度を１０３０℃以上として熱間圧延で硬化した組織を回復させるとともに、圧延後の鋼材を水冷設備にて急速冷却して炭化物の析出を抑えて耐食性の劣化を防止することにより、オフライン熱処理工程を省略することを特徴とする。

本発明において、誘導加熱装置を３段階からなる圧延工程の上流段階に設置するほど鋼材の移動速度が小さい状態で加熱することができるので加熱効率を高くすることができる。一方、下流段階に設置するほど切断機４入り側における鋼材温度制御は容易となる。

図２は、従来の棒鋼の製造方法（a）と本発明の棒鋼の製造方法（ｂ）における熱処理パターンを対比した図である。

図２（a）に示すように、従来は、Ｃ：０．０７質量％程度のオーステナイトステンレス鋼の鋼材を、仕上圧延機３の出側における仕上温度を９１０〜１０２０℃とし、冷却床５にて大気放冷することにより、例えば６２ｍｍΦの棒鋼で０．４℃/sec程度の冷却速度にて常温まで冷却されていたため、ボルト、ナット、ネジなどに加工する冷間加工を施す前に、再度１０５０℃程度まで加熱してオフライン熱処理を行い、例えば浸漬水冷により、１５℃/sec程度の冷却速度にて急速冷却することにより圧延組織の軟質化と炭化物の溶体化を行う必要があった。

そこで、本発明においては、例えば、図２（ｂ）に示すように、粗圧延機１のスタンド間（図１においては（2）の位置）に誘導加熱装置ＩＨを設置して圧延中の鋼材を昇温させ、切断機４の入り側における温度（以下仕上温度という。）を１０３０℃以上にした後、冷却床５にて例えば水スプレー装置により、鋼材の上下から冷却水を上下水量比（上／下）１未満で吹付けて、急速冷却する（インライン熱処理）ことにより材質を調整できるので、従来のオフライン熱処理を省略することができる。

仕上温度を１０３０℃以上とするのは、熱間圧延工程で加工硬化した組織を回復させ、引張強度、耐力、及び硬さなどの機械的性質を整えるためである。

図３は、炭化物析出臨界冷却速度とＣ量との関係を示す図である。

図３における●印は炭化物析出がないことを示し、×は炭化物が析出していることを示す。

図３に示すように、鋼材中のＣ量（質量％）が増加すると炭化物析出臨界速度が上昇する傾向があり、本発明が対象とするＣ：０．０５質量％以下を含有する鋼材の場合、急速冷却における冷却開始温度を９５０℃以上とし、かつ、該冷却開始温度から５００℃までの冷却速度を４℃/sec以上とすることにより、炭化物の析出を防止することができる。なお、Ｃ質量％を低減すると精錬コストが上昇するのでＣ：０．０４質量％以上とすることが好ましい。

なお、冷却開始温度を９５０℃以上とするのは、９５０℃未満ではオーステナイト系ステンレス鋼の炭化物析出が始まるため、炭化物析出を防止するためにはそれ以上の温度から冷却を開始する必要があるからであり、
また、冷却開始温度から５００℃までの冷却速度を４℃/sec以上とするのは５００℃未満では炭化物は析出しないからそれまでの冷却速度を４℃/sec以上とすればよいからである。

図４は、本発明の仕上温度と棒鋼の特性との関係を示す図であり、（a）は引張強度、（ｂ）は耐力、（ｃ）は硬さを示している。

図４の右端に示しているのは、オフライン熱処理を施したΦ２６ｍｍの従来製品の特性範囲であり、△印で示すＣ含有量が０．３７％の場合は、鋼材の仕上温度を１０３０℃以上とすることにより、オフライン熱処理を施さなくても従来製品と同等の製品特性を確保することができる。

なお、仕上温度の上限は省エネルギーのため１１００℃が好ましい。

図５は、本発明に用いる水スプレー冷却装置を例示する図であり（a）
は側面図、（ｂ）は上スプレーノズル又は下スプレーノズルの配置を示す平面図である。

図５に示すようなスプレーノズルによって、鋼材の上下から水スプレーを上下水量比（上／下）１未満で吹付けることにより鋼材の曲がりを３mm/M以下にすることができる。

鋼材の上下から水スプレーを上下水量比（上／下）１未満で吹付けることにより鋼材の上面および下面を均一に冷却することができ、鋼材長さ１Ｍ当たりの曲がりを３mm/M以下にすることができスプレー冷却後の棒鋼の切断機（定尺ソー）の許容範囲内にすることができ、操業に支障をきたすことがない。

表１に示す成分及び残部はFeと不可避的不純物からなる圧延素材を熱間圧延後、冷却床５にて冷却した実施例を表２に示す。

表１におけるＡ1、Ａ２鋼は本発明のＣ：０．０５質量％以下の範囲内である、一方、Ｂ鋼はＣ：０．０７質量％の本発明の範囲外である。

表２における仕上温度は切断機４入り側の鋼材温度（℃）を示し、急冷却開始温度は、冷却床５において鋼材の冷却を開始する温度を示し、また、曲がりは、棒鋼長さ１Ｍ当たりの曲がり量（ｍｍ/Ｍ）を示す。

なお、仕上温度等は鋼材の表面を放射温度計で測定した。また炭化物の析出はＪＩＳＧ０５７１（ステンレスのしゅう酸エッチング試験方法）でエッチングして有無を判定した。

No.1〜3は、本発明例であり、粗圧延機のスタンド間に設置した誘導加熱装置によって、仕上温度を１０３０℃以上とすることにより、圧延過程での硬化した組織の回復がなされ、引張強度、耐力、及び硬さなどの機械的性質は良好であるうえ、冷却開始温度が９５０℃以上、冷却速度が４℃/sec以上であることにより、溶体化処理が十分になされ、炭化物の析出は認められなかった。

この中でNo.3は、上下水量比が不適であり、曲がりが大であった。

No.4は、仕上圧延後温度が１０３０℃以下により、圧延過程での組織の回復なされず、組織が微細、硬質となり耐力が高くなった。

No.5は、冷却床５における冷却速度が低いため、炭化物の析出が認められた。

No.6は、No.4同様に仕上温度不足により、耐力が高くなった。

No.7は、鋼材の炭素量が高く、かつ、冷却床５において空冷したため冷却速度が低いため、炭化物の析出が認められ、また、仕上温度不足により、引張強度、耐力及び硬さが高くなった。

No.8は、従来のオフライン熱処理によって、加熱後の鋼材を浸漬水冷（どぶ浸）した例であるが、鋼材の冷却部分にかたよりがあり、曲がりが大きくなった。

本発明の条件を満足する場合にはオフライン熱処理を施さなくても所定の特性を確保することができることからから本発明の効果が確認された。

本発明を適用する棒鋼の製造設備を例示する図である。 従来の棒鋼の製造方法（a）と本発明の棒鋼の製造方法（ｂ）における熱処理パターンを対比した図である。 炭化物析出臨界冷却速度とＣ量との関係を示す図である。 本発明の仕上圧延温度と棒鋼の特性との関係を示す図である。 本発明に用いる水スプレー冷却装置を例示する図である。

符号の説明

１ 粗圧延機
２ 中間圧延機
３ 仕上圧延機
４ R/S切断機
５ 冷却床
ＷＢ炉 ウォーキングビーム炉（加熱炉）
ＩＨ 誘導加熱装置

Claims (3)

1. Ｃ:０．０５質量％以下を含有するオーステナイト系ステンレス鋼からなる圧延素材を加熱炉及び/又は誘導加熱炉にて加熱し、粗圧延機、中間圧延機及び仕上圧延機にて圧延し、切断機で所定長さに切断する棒鋼の製造方法であって、
   前記各種圧延機の入り側または出側もしくは前記粗圧延機または前記中間圧延機内のスタンド間の位置において一ヶ所または二ヶ所以上に設置した誘導加熱装置により鋼材温度を上昇させ、前記切断機入り側における鋼材温度を１０３０℃以上とするとともに、切断後の鋼材を水冷設備にて急速冷却することにより、その後の熱処理工程を省略することを特徴とする棒鋼の製造方法。
2. 前記切断後の鋼材の急速冷却における冷却開始温度を９５０℃以上とし、かつ、該冷却開始温度から５００℃までの冷却速度を４℃/sec以上とすることを特徴とする請求項１に記載の棒鋼の製造方法。
3. 前記水冷設備を水スプレ−冷却設備とし、前記切断後の鋼材の上下から水スプレーを上下水量比（上／下）１未満で吹付けることにより当該鋼材の曲がりを３mm/M以下にすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の棒鋼の製造方法。

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