JP5614013B2

JP5614013B2 - 太径丸棒の製造方法

Info

Publication number: JP5614013B2
Application number: JP2009200128A
Authority: JP
Inventors: 敬一東; 孝也小川
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2029-08-31
Also published as: JP2011052248A

Description

本発明は、太径丸棒の製造方法に係り、とくに熱処理を施すことなく、太径丸棒の靭性を向上させる方法に関する。なお、ここでいう「太径丸棒」とは、直径：90〜250mmφ程度の大きさの丸棒をいうものとする。

近年、機械、設備の大型化にともない、使用する鋼材も極厚のものが要望されている。例えば、丸棒であれば、90mmφ以上の太径のものが要求され、しかも、そのような太径であっても、優れた靭性を具備していることが必須の要件となっている。このため、そのような太径丸棒とするために、圧延材に、さらに焼準処理、あるいは焼入れ焼戻処理等の熱処理を施していた。しかし、熱処理を施すことは、製造工程が複雑となるうえ、製造コストの高騰を招くという問題があった。

このような問題に対し、例えば、特許文献１には、太径非調質棒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、Ｃ：0.30〜0.60％、Si：1.8％以下、Mn：0.60〜2.0％、Cr：0.50％以下、Ｖ：0.03〜0.20％、solAl：0.020〜0.060％、Ｎ：0.008〜0.020％を含む鋼塊または連鋳片を1100〜1200℃に加熱し炉冷した後1000〜1050℃で抽出し、750〜1000℃の温度域で分塊圧延により30％以上の加工量を加え、分塊圧延の最終仕上圧延温度が750〜900℃となるように圧延を行う、太径非調質棒鋼の製造方法である。特許文献１に記載された技術によれば、非調質状態で、TS：70kg/mm^２（690MPa）以上で、２mmＵノッチ試験片を用いた試験温度：20℃での衝撃値_ＵＥ_２０が４kgm/cm^２（39Ｊ）以上の、高強度、高靭性を有する太径丸棒が得られるとしている。

また、特許文献２には、インゴットまたは連続鋳造ブルームを加熱して分塊圧延したのち、再加熱することなく、中間圧延及び仕上圧延を含む熱間圧延を行うにあたり、熱間圧延前あるいは熱間圧延の途中で、全長に亘り鍛造を行うことを特徴とする棒鋼の製造方法が記載されている。特許文献２に記載された技術によれば、ロール圧延の圧延比が小さくても内部品質の良好な棒鋼が得られるとしている。

また、特許文献３には、丸棒鋼の製造方法が記載されている。特許文献３に記載された技術は、鋳片を分塊圧延したのち、鍛造プレス成形にて断面丸形状の製品形状に成形する丸棒鋼の製造方法である。特許文献３に記載された技術によれば、連続鋳造による大型鋳片を用いた場合であっても、内部品質が良好な製品を得ることができるとしている。

特開昭59−170222号公報特開昭61−67501号公報特開平9−271884号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、Siや、Mnの多量含有を必要とし、しかもCr、Ｖ等の合金元素を含有させた鋼素材を使用するため、材料コストが高騰するうえ、加熱後の炉冷を必要とし、生産性の低下が懸念されるという問題がある。また、特許文献２，３に記載された技術は、いずれも熱間圧延等の工程の途中で鍛造加工を付加する必要があり、製造工程が複雑となるうえ、鍛造加工のための大型設備を必要とするなどの問題があった。

本発明は、上記した従来技術の問題を解決し、熱処理を施すことなく、圧延ままで、引張強さTS：600MPa以上で、かつ靭性に優れた太径丸棒を、安価に製造できる、太径丸棒の製造方法を提供することを目的とする。

従来、太径丸棒の製造に当たっては、１回の加熱で圧延し、圧延後に、均一性を確保するために、焼準処理を施して、製品としていた。しかし、焼準処理は、あくまで、組織の均一化を目的としており、顕著な靭性の向上は期待できない。そこで、本発明者らは、上記した目的を達成するために、圧延のまま状態の太径丸棒の靭性向上策について鋭意研究した。その結果、本発明者らは、図１に示すように、仕上圧延を入側温度が850℃以下の温度範囲となる比較的低温での圧延とすることにより、圧延のまま状態でも太径丸棒の靭性が顕著に向上することを知見した。

図１は、仕上圧延温度（仕上圧延の入側温度）を種々変更して仕上圧延を行い、種々の直径の丸棒を製造し、得られた丸棒について、圧延のまま状態でのシャルピー衝撃試験の衝撃値uＥ₂₀を調査し、uＥ₂₀と仕上圧延入側温度との関係を示したグラフである。図１からは、仕上圧延入側温度を850℃以下とすることにより、製造される丸棒の靭性が向上する傾向となることがわかる。図１は、丸棒サイズが、直径105 mmφ〜250mmφまでのサイズの丸棒の結果を含んでおり、丸棒サイズに関係なく、仕上圧延入側温度を850℃以下とすることが重要であることが言える。

そしてさらに検討を加えた結果、仕上圧延を、上記したような比較的低温での圧延とするためには、熱間圧延のための鋼素材の加熱温度を比較的低めとし、粗圧延終了後仕上圧延開始までに、被圧延材の表面温度が所定範囲の仕上圧延入側温度に達するまで、空冷することが、太径丸棒の材質均一性（長手方向や断面内の均一性）から、好ましいという知見を得た。

本発明は、上記した知見に基づき、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、次のとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：0.35〜0.60％、Si：0.1〜0.4％、Mn：0.5〜1.0％、Cr：0.20％以下、Al：0.1％以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する、連続鋳造法で鋳造されたブルームを、加熱炉で加熱し、加熱炉から抽出し熱間圧延して直径：90〜250mmφの太径丸棒とするにあたり、前記加熱が、加熱温度を900〜1200℃の範囲の温度とする加熱であり、前記熱間圧延が、粗圧延と仕上圧延とからなる圧延であり、前記粗圧延の終了後、前記仕上圧延の開始までを空冷し、該仕上圧延が850〜650℃の温度範囲で、次（１）式
減面率（％）＝｛（仕上圧延開始前の断面積）−（仕上圧延終了後の断面積）｝／（仕上圧延前の断面積）×100 ‥‥（１）
で定義される減面率を30％以上とする圧延であり、該仕上圧延後空冷することを特徴とする、靭性に優れた太径丸棒の製造方法。

（２）（１）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Cu：0.25％以下、Ni：0.25％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有する組成であることを特徴とする太径丸棒の製造方法。

本発明によれば、熱処理を施すことなく、圧延のまま状態で、靭性に優れた太径丸棒を容易にかつ安価に製造でき、産業上格段の効果を奏する。

試験温度：20℃における衝撃値uＥ₂₀と仕上圧延入側温度との関係を示すグラフである。本発明の製造工程を模式的に示す説明図である。

本発明で使用する鋼素材は、Ｃ：0.35〜0.60％、Si：0.1〜0.4％、Mn：0.5〜1.0％、Cr：0.20％以下、Al：0.1％以下を含み、あるいはさらに、Cu：0.25％以下、Ni：0.25％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成の鋼素材とする。
まず、本発明で使用する鋼素材の組成限定理由について説明する。以下、とくに断わらない限り質量％は単に％と記す。

Ｃ：0.35〜0.60％
Ｃは、丸棒の強度を増加する作用を有する元素であり、太径丸棒の所定の強度を確保するために0.35％以上の含有を必要とする。一方、0.60％を超える含有は、靭性の低下が著しくなる。このため、Ｃは0.35〜0.60％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.40〜0.50％である。

Si：0.1〜0.4％
Siは、脱酸剤として作用するとともに、固溶して強度を増加する作用を有する元素である。このような効果は0.1％以上の含有で顕著となるが、0.4％を超える含有は、伸びの著しい低下の原因となる。このため、Siは0.1〜0.4％の範囲に限定した。
Mn：0.5〜1.0％
Mnは、固溶して丸棒の強度を増加する元素であり、太径丸棒の所定の強度を確保するために0.5％以上の含有を必要とする。一方、1.0％を超える含有は、強度が高くなりすぎて、靭性の低下が著しくなるとともに、偏析等を助長する。このため、Mnは0.5〜1.0％の範囲に限定した。なお、好ましくは0.6〜0.9％である。

Cr：0.20％以下
Crは、焼入れ性の増加を介し、丸棒の強度増加に寄与する元素である。このような効果を得るためには0.01％以上含有することが望ましいが、0.20％を超える含有は、靭性を低下させる。このため、Crは0.20％以下に限定した。
Al：0.1％以下
Alは、脱酸剤として作用するとともに、Ｎと結合してAlNを形成しオーステナイト粒の粗大化を防止し、靭性を向上させる作用を有する元素である。このような効果を得るためには、0.005％以上含有することが望ましいが、0.1％を超える含有は、製造コストの高騰を招く。このため、Alは0.1％以下に限定した。なお、好ましくは0.005〜0.06％である。

上記した成分が基本成分であるが、さらに選択元素として、必要に応じて、Cu、Niのうちの１種または２種を含有してもよい。
Cu：0.25％以下、Ni：0.25％以下のうちから選ばれた１種または２種
Cu、Niはいずれも、固溶して強度向上に寄与する元素であり、必要に応じて選択して含有できる。

Cuは、強度増加に加えて、耐食性を向上させる元素である。このような効果は得るためには、0.1％以上含有することが望ましいが、0.25％を超える含有は、熱間加工性を低下させる。このため、含有する場合には、Cuは0.25％以下に限定することが好ましい。
Niは、Cuと同様に強度増加に寄与するとともに、靭性の向上に寄与する元素である。このような効果は、0.1％以上含有することが望ましいが、0.25％を超えて含有すると、材料コストの高騰を招く。このため、含有する場合には、Niは0.25％以下に限定することが好ましい。

残部は、Feおよび不可避的不純物である。
本発明では、上記した組成を有する鋼素材を加熱し、熱間圧延を施して、太径の丸棒とする。
本発明では、鋼素材の製造方法については、とくに限定しないが、上記した組成の溶鋼を、転炉等の常用の溶製方法で溶製し、連続鋳造法等の常用の鋳造方法でブルーム等の鋼素材とすることが好ましい。なお、鋼素材の均一性の観点からは、鋳造方法は連続鋳造法を適用することが好ましい。

上記した組成の鋼素材は、まず熱間圧延のための加熱を施される。加熱温度は900〜1200℃の範囲の温度とする。加熱温度が900℃未満では、鋼素材の変形抵抗が高く、圧延時の圧延機への負荷が過大となり、圧延が困難となる場合がある。一方、加熱温度が1200℃を超えると、オーステナイト粒の粗大化が顕著になる。このため、加熱温度は900〜1200℃の範囲の温度に限定した。なお、好ましくは900〜1100℃である。

加熱された鋼素材は、ついで、加熱炉から抽出され、熱間圧延を施される。なお、抽出温度は、熱間圧延が可能であればできるだけ低温とすることが靭性向上の観点からは、望ましい。本発明では抽出温度は、好ましくは900〜1100℃である。
熱間圧延は、粗圧延と仕上圧延とからなる。加熱された鋼素材は、粗圧延され、所定形状の粗圧延材（仕上圧延素材）とされる。本発明では、粗圧延の条件は限定する必要はなく、所望の寸法形状が確保できれば、いかなる条件でも適用できる。

本発明では、粗圧延材（仕上圧延素材）は、粗圧延終了後、表面の温度が所定の仕上圧延温度範囲になるまで滞留され、空冷される。粗圧延材の、表面温度が所定の仕上圧延温度範囲に低下したのち、すなわち、仕上圧延は、粗圧延材（仕上圧延素材）の温度（表面温度）が所定の仕上圧延温度範囲内の温度になったのちに開始する。
本発明では、所定の仕上圧延温度範囲を850〜650℃の範囲とする。仕上圧延は、粗圧延材（仕上圧延素材）に、複数回（パス）の圧延（圧下）を繰返して施し、所望の寸法（直径）の丸棒とする。上記した仕上圧延温度範囲での圧延であれば、各パスでの圧下によりオーステナイト（γ）粒が伸長し、さらに伸長したγが再結晶して微細なγ粒となる。このような圧下による結晶粒の微細化を各パスごとに繰り返して、結晶粒の微細化が進行する。この結晶粒の微細化により、靭性が向上する。なお、所定の仕上圧延温度範囲とは、仕上圧延の入側温度および出側温度がいずれも上記した温度範囲となることを意味する。

仕上圧延の入側温度および出側温度が650℃未満では、圧延温度が低くなりすぎて圧延機の負荷が大きくなりすぎる。一方、850℃を超えると、粒の微細化の程度が少なく、靭性の向上効果が顕著でなくなる。なお、結晶粒の粗大化を防止する観点から、好ましくは830℃以下である。
また、上記した結晶粒の微細化を促進させるためには、仕上圧延での減面率（圧下）を30％以上とする。ここで、減面率は、次（１）式
減面率（％）＝｛（仕上圧延開始前の断面積）−（仕上圧延終了後の断面積）｝／（仕上圧延前の断面積）×100 ‥‥（１）
で定義される。

仕上圧延での減面率が30％未満では、所望の結晶粒微細化の促進が得られない。なお、減面率の上限は、圧延設備の能力に依存して決定されるが、圧延機への負荷という観点から80％以下程度とすることが好ましい。好ましくは、30〜80％である。
仕上圧延終了後、得られた丸棒は空冷される。これにより、全体に均質な特性を有する太径丸棒となる。

なお、本発明について丸棒を例に説明してきたが、断面が四角等の角状の棒状材についても、同様の効果があることはいうまでもない。
次に、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明する。

表１に示す組成の溶鋼を溶製し、連続鋳造法で表２に示すサイズの鋼素材（ブルーム）とした。鋼素材を加熱炉２に装入し加熱したのち、表２に示す温度で抽出し、粗圧延機４で粗圧延し、さらに仕上圧延機群６で仕上圧延を施し、表２に示す大きさの丸棒とした。なお、抽出温度、仕上圧延の入側温度および出側温度は、図２に示すように、加熱炉の出側、仕上圧延機群の入側、出側にそれぞれ設置された温度計３、５、７で表面の温度を測定した。また、仕上圧延による圧下量は、次（１）式
減面率（％）＝｛（仕上圧延開始前の断面積）−（仕上圧延終了後の断面積）｝／（仕上圧延前の断面積）×100 ‥‥（１）
で定義される減面率で表した。

得られた丸棒の1/4Ｄから、JIS Z 2201の規定に準拠してJIS４号引張試験片を採取し、JIS Z 2241の規定に準拠して引張試験を実施し、引張特性（降伏点YP、引張強さTS、伸びEL）を求めた。
また、得られた丸棒の1/4Ｄから、JIS Z 2242の規定に準拠して、２mmＵノッチ試験片を採取し、試験温度：20℃でシャルピー衝撃試験を実施し、衝撃値_ＵＥ_２０を求めた。なお、衝撃試験片を各丸棒で各６本ずつ採取し、衝撃試験を実施した。そして、最高値、最低値および平均値を求めた。

得られた結果を表２に示す。

本発明例はいずれも、TS：600N/mm^２以上の高強度を有し、かつ優れた靭性とを兼備した太径丸棒（製品）となっている。一方、本発明の範囲を外れる比較例は、衝撃値_ＵＥ_２０の最低値が、本発明例に比べ低い値を示している。また、同一の鋼で同一製品サイズで比較して、本発明例は比較例に比べ、衝撃値のばらつき（最高値−最低値）が小さくなっている。

１鋼素材
２加熱炉
３温度計
４粗圧延機
５温度計
６仕上圧延機群
７温度計

Claims

質量％で、
Ｃ：0.35〜0.60％、 Si：0.1〜0.4％、
Mn：0.5〜1.0％、 Cr：0.20％以下、
Al：0.1％以下
を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成を有する、連続鋳造法で鋳造されたブルームを、加熱炉で加熱し、加熱炉から抽出し熱間圧延して直径：90〜250mmφの太径丸棒とするにあたり、
前記加熱が、加熱温度を900〜1200℃の範囲の温度とする加熱であり、
前記熱間圧延が、粗圧延と仕上圧延とからなる圧延であり、前記粗圧延終了後、前記仕上圧延の開始までを空冷し、該仕上圧延が850〜650℃の温度範囲で、下記（１）式で定義される減面率を30％以上とする圧延であり、該仕上圧延後空冷することを特徴とする、靭性に優れた太径丸棒の製造方法。
記
減面率（％）＝｛（仕上圧延前の断面積）−（仕上圧延終了後の断面積）｝／（仕上圧延前の断面積）×100 ‥‥（１）
前記組成に加えてさらに、質量％で、Cu：0.25％以下、Ni：0.25％以下のうちから選ばれた１種または２種を含有する組成であることを特徴とする請求項１に記載の太径丸棒の製造方法。