JP5447770B2 - 高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、高炭素含有鋼材の均熱焼鈍処理方法に係り、とくにCr含有高炭素鋼材の均熱焼鈍処理における処理時間の短縮化に関する。

高炭素鋼材、とくに軸受鋼等のCr含有率の高い高炭素鋼材では、例えば連続鋳造法で鋳造した場合には、とくに最終凝固する中央部に巨大な共晶炭化物が晶出し、その後の、熱間圧延によっても消滅しないため、機械的特性が低下するという問題がある。
このような問題に対し、例えば非特許文献１には、軸受鋼の巨大炭化物の消滅のためには、例えば1200℃程度の温度で10時間以上の高温長時間の均熱処理を必要とすることが指摘されている。このような巨大炭化物の消滅のため、さらには鋳片の割れを防止するために、実操業では、均熱処理として、均熱温度までの加熱時間を50時間程度以上、均熱時間を20時間程度以上の、長時間の処理を実施していた。

また、特許文献１には、垂直連続鋳造法により断面が円形の鋳片を鋳造し、水冷鋳型から引き出される鋳片に対し、中心凝固率が0.3〜0.6である間に、フラットロールを用いて圧下率１〜３％の軽圧下を加えて中心偏析を解消し、得られた鋳片に温度：1150〜1260℃に２〜５時間加熱するソーキングを行って分塊圧延することを特徴とする軸受鋼の製造方法が記載されている。特許文献１に記載された技術は、鋳造時に軽圧下を加えて中心偏析を低減若しくは消滅させ、その後の均熱処理時間の短縮を図ろうとするものである。特許文献１に記載された技術によれば、ソーキング時間を従来の半分程度とすることができるとしている。

また、特許文献２には、高炭素クロム軸受鋼材の製造方法が記載されている。特許文献２に記載された技術は、Ｐ濃度が0.002〜0.009質量％である高炭素クロム軸受鋼用鋳片を使用して、少なくとも、ソーキング温度を1150〜1260℃とし、保持時間を２時間未満とするソーキングと、熱間圧延とを行うことに特徴があり、これにより、巨大炭化物を高度に抑制できるとしている。
特開平７−299550号公報 特開2006−016683号公報 太田隆美ら：鉄と鋼、第52年（１９６６）第１３号、p.1851〜1859

特許文献１に記載された技術によれば、鋳片を均熱焼鈍する際に、焼鈍時間の短縮が可能となるが、鋳造時に鋳片の軽圧下のための設備を必要とするため、多大の設備投資が必須となるという問題があった。また、特許文献２に記載された技術によれば、ソーキング保持時間の短縮化が可能であるが、均熱処理の全体時間の更なる短縮化までは達成できていないという問題があった。

本発明は、かかる従来技術の問題を解決し、多大の設備投資を行うことなく、また、長時間の処理を必要とすることなく、共晶炭化物等の巨大炭化物を実質的に無害化し、とくに鋳片割れ、表面割れ等の疵発生を防止または軽減でき生産性に優れた、高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記した目的を達成するために、高炭素鋼材鋳片の均熱焼鈍処理時の鋳片割れ、表面割れ等の疵発生に影響する要因について鋭意研究した。その結果、とくに高炭素鋼材鋳片では、均熱焼鈍処理時間の短縮化のために、変態温度域を特定範囲を超える大きな加熱速度で加熱すると、鋳片に割れが発生することを新規に見出した。これは、加熱速度の増大に伴い鋳片の内外層における温度差が大きくなり、とくに変態温度域では、変態による熱膨張変化が内外層で異なることとなり、表面に大きな引張の熱応力が発生し割れ発生に至る場合が多いことによると考え、このような鋳片の割れ発生を防止するためには、変態温度域を特定範囲内の加熱速度で加熱することが必要であることに想到した。

本発明はかかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨は次の通りである。
（１）高炭素鋼材の鋳片を加熱炉を用いて所定の均熱温度まで加熱し、該所定の均熱温度で所定時間保持する高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法において、前記高炭素鋼材をＣ：0.95質量％以上を含む高炭素鋼材とし、前記加熱を、該高炭素鋼材の次（ａ）
開始点（℃）：高炭素鋼材の、加熱に伴う熱膨張が膨張から収縮に転じる温度‥‥（ａ）
で定義される開始点から次（ｂ）
終了点（℃）：高炭素鋼材の、加熱に伴う熱膨張が収縮から膨張に転じる温度‥‥（ｂ）
で定義される終了点までの温度範囲を、炉温制御で50℃／ｈ以下の加熱速度で行う加熱とし、前記開始点未満の温度域、および／または、前記終了点を超える温度域、での前記加熱を、前記開始点〜前記終了点の温度範囲での加熱速度より速い加熱速度で行う加熱とし、さらに前記開始点未満の温度域での加熱速度が炉温制御で100℃／ｈ以下であることを特徴とする高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法。
（２）（１）において、前記高炭素鋼材が、Cr含有高炭素鋼材であることを特徴とする高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法。
（３）（１）または（２）において、前記終了点を超える温度域での加熱速度が、炉温制御で100℃／ｈ以下であることを特徴とする高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法。
（４）（１）ないし（３）のいずれかにおいて、前記開始点以下（開始点−30℃）以上、および／または、前記終了点以上（終了点＋30℃）以下、の温度域の温度で、等温保持を行うことを特徴とする高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法。
（５）（１）ないし（３）のいずれかにおいて、前記開始点以下（開始点−30℃）以上、および／または、前記終了点以上（終了点＋30℃）以下、の温度域での加熱を、加熱速度が炉温制御で10℃／ｈ以下である加熱とすることを特徴とする高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法。

本発明によれば、多大の設備投資を行うことなく、均熱焼鈍処理時間を短縮でき、共晶炭化物等の巨大炭化物を実質的に無害化し、またさらに割れ等の疵発生を防止または軽減し、鋳片の手入れ等を軽減でき、生産性を顕著に向上できるという、産業上格段の効果を奏する。

本発明では、高炭素鋼材の鋳片を炉中に装入し、所定の均熱温度まで加熱し、該均熱温度で所定時間保持する。なお、ここでいう「高炭素鋼材」とは、Ｃ：0.95質量％以上好ましくは1.1質量％以下を含み、共晶炭化物等の巨大炭化物を有し、好ましくは少なくとも0.9質量％以上のCrを含有する鋼材をいうものとする。なお、さらに好ましくは、「高炭素鋼材」は、JIS G 4805に規定される高炭素クロム軸受鋼鋼材、SUJ2〜SUJ5である。

本発明では、均熱温度は、1200〜1250℃とすることが好ましい。均熱温度を上記した温度範囲に調整することにより、巨大炭化物の消滅、無害化を容易に達成できる。均熱温度が1200℃未満では、Ｃや合金元素の拡散が不十分で工業的に可能な時間内で、巨大炭化物の消滅を十分に達成できない。一方、1250℃を超えると、偏析部が溶融する。このため、均熱温度は1200〜1250℃とすることが好ましい。上記した均熱温度であれば、保持時間は、１〜20時間程度で充分である。

本発明では、好ましくは上記した均熱温度への加熱を、被加熱材である高炭素鋼材の次（ａ）
開始点（℃）：高炭素鋼材の、加熱に伴う熱膨張が膨張から収縮に転じる温度‥‥（ａ）
で定義される開始点から次（ｂ）
終了点（℃）：高炭素鋼材の、加熱に伴う熱膨張が収縮から膨張に転じる温度‥‥（ｂ）
で定義される終了点までの温度範囲を、炉温制御で50℃／ｈ以下の加熱速度で行う加熱とする。なお、開始点、終了点は、被均熱焼鈍処理材である高炭素鋼材についての加熱時の変態の開始点および変態の終了点である。変態の開始点および終了点は、鋼種ごとに区分して熱膨張測定を行って、予め求めた値を用いればよい。また、文献等にすでに知られている場合にはその値を用いればよい。

この開始点から終了点までの温度範囲（いわゆる変態温度域）を、50℃／ｈ以下の加熱速度で加熱することにより、鋳片に発生する割れを防止または顕著に低減することができる。これにより、その後の鋳片の手入れ等を省略あるいは軽減することができ、生産効率が顕著に向上する。なお、変態域での加熱速度は好ましくは40℃／ｈ以下、さらに好ましくは30℃／ｈ以下である。

なお、本発明では、上記した変態温度域以外の温度域では、該変態温度域の加熱速度より速い加熱速度とすることができる。というのは、変態温度域の加熱速度を上記した条件とすることにより、変態温度域以外の温度域を、変態温度域の加熱速度より速い加熱速度で加熱しても、割れ等の欠陥の発生は認められない。これにより、均熱焼鈍処理時間の大幅な短縮が図れる。

また、本発明では、変態温度域直下の温度域の加熱および／または変態温度域直上の温度域の加熱を加熱速度：10℃／ｈ以下とする徐加熱とすることが好ましい。これにより、鋳片の内外層の温度差を更に小さく、あるいは略均一状態とすることができ、割れ発生確率をさらに低減できる。加熱速度が10℃／ｈを超えて大きくなると、所期した断面内温度の均一化を充分に達成できない。なお、変態温度域直下の温度域としては、開始点以下（開始点−30℃）以上とすることが、また、変態温度域直上の温度域としては、終了点以上（終了点＋30℃）以下とすることが、それぞれ好ましい。変態温度域直下の温度域を（開始点−30℃）より低い温度域から、または変態温度域直上の温度域を（終了点＋30℃）より高い温度域まで徐加熱してもよいが、効果はほとんど同じで、焼鈍処理時間のみが長時間となる。

なお、上記した徐加熱に代えて、上記した温度域の温度で等温保持してもよい。等温保持の温度は、上記した開始点または終了点とすることがより好ましい。なお、好ましい等温保持の時間は、１〜５ｈである。より好ましくは２ｈ以下である。等温保持のパターンは、等温保持を実操業で正確に行うことはかなりの困難を伴う。通常では、１ｈに10℃程度の温度変動、望ましくは温度上昇、が不可避的に生じることが多い。このため、等温保持といっても、実質的には10℃／ｈ程度の温度変化は不可避的である場合が多く、等温保持には、10℃／ｈ程度の温度変化（温度上昇）を含むことが許容される。

高炭素鋼材（SUJ2：0.95〜1.10質量％Ｃ−0.15〜0.35質量％Si−0.50質量％以下Mn−0.025質量％以下Ｐ−0.025質量％以下Ｓ−1.30〜1.60質量％Cr−残部Feおよび不可避的不純物）の鋳片（大きさ：350mm肉厚×450mm幅）に、表１に示す各条件で均熱焼鈍処理を施した。なお、各均熱焼鈍処理のパターンを模式的に図１〜図４に示す。なお、均熱焼鈍処理を開始する際の温度は200℃であった。また、上記した高炭素鋼材の変態の開始点、終了点は、予め加熱時の熱膨張測定により求めた。変態の開始点は740℃、終了点は810℃であった。均熱保持条件は、1220℃×10ｈとした。

図２は、開始点以下および終了点で等温保持する均熱焼鈍処理のパターンの例である。また、図３は一定加熱速度で均熱温度まで加熱する従来例、図４は途中で等温保持を含み一定加熱速度で均熱温度まで加熱する従来例である。
鋳片は、均熱焼鈍処理後、炉中冷却し、30℃近傍まで冷却したのち、磁気損傷法で表面疵の個数を測定した。なお、表面疵の測定に当たっては、脱炭層をピーリングで除去したのち行った。同一条件で均熱焼鈍処理された鋳片50個について、同様の測定を行い、平均疵個数を求め、各均熱焼鈍処理の平均疵個数とした。

また、均熱焼鈍処理終了後、鋳片中心部を切断採取し、断面を研磨したのち、腐食液（ナイタール液）で腐食し、中心部近傍における巨大炭化物（大きさ：10μm以上）の存在の有無を光学顕微鏡（400倍）を用いて観察し、巨大炭化物が存在する場合を×、存在しない場合を○として評価した。なお、巨大炭化物は白色組織として容易に判別できる。
得られた結果を表１に示す。

本発明例はいずれも、従来例に比べて均熱焼鈍処理時間（合計）を短くすることができ、しかも疵発生が格段に軽減し、さらに巨大炭化物が消滅している。

実施例で用いた本発明例の均熱焼鈍処理パターンの１例を模式的に示す説明図である。 実施例で用いた本発明例の均熱焼鈍処理パターンの１例を模式的に示す説明図である。 実施例で用いた従来例の均熱焼鈍処理パターンを模式的に示す説明図である。 実施例で用いた従来例の均熱焼鈍処理パターンを模式的に示す説明図である。

Claims (5)

1. 高炭素鋼材の鋳片を加熱炉を用いて所定の均熱温度まで加熱し、該所定の均熱温度で所定時間保持する高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法において、前記高炭素鋼材をＣ：0.95質量％以上を含む高炭素鋼材とし、前記加熱を、該高炭素鋼材の下記（ａ）で定義される開始点から下記（ｂ）で定義される終了点までの温度範囲を、炉温制御で50℃／ｈ以下の加熱速度で行う加熱とし、前記開始点未満の温度域、および／または、前記終了点を超える温度域、での前記加熱を、前記開始点〜前記終了点の温度範囲での加熱速度より速い加熱速度で行う加熱とし、さらに前記開始点未満の温度域での加熱速度が炉温制御で100℃／ｈ以下であることを特徴とする高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法。
   記
   開始点（℃）：高炭素鋼材の、加熱に伴う熱膨張が膨張から収縮に転じる温度‥‥（ａ）
   終了点（℃）：高炭素鋼材の、加熱に伴う熱膨張が収縮から膨張に転じる温度‥‥（ｂ）
2. 前記高炭素鋼材が、Cr含有高炭素鋼材であることを特徴とする請求項１に記載の高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法。
3. 前記終了点を超える温度域での加熱速度が、炉温制御で100℃／ｈ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法。
4. 前記開始点以下（開始点−30℃）以上、および／または、前記終了点以上（終了点＋30℃）以下、の温度域の温度で、等温保持を行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法。
5. 前記開始点以下（開始点−30℃）以上、および／または、前記終了点以上（終了点＋30℃）以下、の温度域での加熱を、加熱速度が炉温制御で10℃／ｈ以下である加熱とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の高炭素鋼材の均熱焼鈍処理方法。

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