JP5666999B2 - 条鋼の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車や各種産業機械等の分野で鋼部品として適用される条鋼を製造するための方法に関するものであり、特に表面の脱炭の生成を抑制した条鋼を製造するための有用な方法に関するものである。

冷間加工用鋼や軸受用鋼等の機械構造用鋼が、自動車や各種産業機械等の種々の分野で用いられている鋼部品の素材として従来から使用されている。上記の様な鋼部品は、鋼材（通常ビレット）を熱間圧延することによって得られる条鋼（鋼線材や棒鋼等）から製造されるが、この熱間圧延前の加熱炉内においては、鋼材が高温に曝されるため、鋼材表層部に炭素濃度が欠乏したいわゆる「脱炭層（炭素欠乏層）」が形成されることになる。

上記のような脱炭層が形成されると、鋼材表面の焼入れ硬度の低下や、圧延鋼材の特性が劣化するために、脱炭層の深さ（以下、「全脱炭深さ」と呼ぶ）を一定以下に抑制する必要がある。また、フェライト−オーステナイトの２相温度付近において加熱するときにおいては、フェライト−オーステナイト間の炭素固溶量の違いに起因するフェライト脱炭が生じる場合があり、こうしたフェライト脱炭も、鋼材の強度や硬さといった機械的特性を著しく低下させ、鋼材の特性に悪影響を及ぼすものとなる。このようなフェライト脱炭が形成される場合には、前記「全脱炭深さ」は、フェライト脱炭も含むことになる。

上記のような脱炭の生成を抑制するためには、低温加熱や在炉時間短縮等の手段が有効であることが知られている。こうした観点から、脱炭の生成を抑制する技術として、これまでにも様々提案されている。

こうした技術として例えば特許文献１には、所定の化学成分組成を有する鋼片を熱間圧延に際し、１０００℃以下、９００℃以上の温度で１時間以内加熱し（この段階での鋼材片の表面脱炭深さ：０．５ｍｍ以下）、熱間圧延して線材とし（この段階での脱炭層深さ：０．００５×線径（ｍｍ）以下）、５００℃以上で巻き取る技術が開示されている。

また、特許文献２には、「高温ガス中で加熱するウオーキングビーム式加熱炉で、ピーニングした鋼片を加熱する工程と、誘導炉の誘導加熱コイル内にビレットを相対移動させ、ビレットの表面部から中間部を誘導加熱で急速加熱する急速加熱工程後、さらに９５０〜１１００℃で均熱工程を経たビレットを圧延装置により、低温圧延を行う」ことによって、鋼片の脱炭を抑制することのできる熱間圧延方法が開示されている。

これらの技術は、いずれも低温加熱や在炉時間短縮が脱炭の抑制に有効であるとの観点からなされたものである。しかしながら、脱炭の発生には表面スケールの影響が大きく、これらの技術では加熱中のスケール生成状況の影響については何ら考慮されておらず、加熱昇温過程において、スケール表面に割れや剥離が生じ、これが原因して脱炭が進行することがある。

特許第１１１９７３７号公報 特開２００１−１００１号公報

本発明はこの様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、鋼材の加熱段階でのスケールの割れや剥離を抑えることによって、表面の脱炭を抑制した条鋼を製造するための有用な方法を提供することにある。

上記目的を達成することのできた本発明とは、鋼材を炉で加熱し、次いで熱間圧延して条鋼を製造する方法であって、前記炉の昇温速度と雰囲気を、鋼材の表面温度に応じて、下記の通りにし、且つ炉からの抽出温度を１２００℃以下とする点に要旨を有するものである。
１）６００℃まで：昇温速度２０℃／分以上
２）６００℃以上：酸素濃度３．０体積％以上、１０．０体積％以下の炉内雰囲気
昇温速度５℃／分以上、２０℃／分未満

本発明で得られる条鋼の化学成分組成については、特に限定するものではなく、条鋼として用いられる通常の成分組成を有するものであればよいが、代表的なものとして、Ｃ：０．１〜１．５％（質量％の意味、化学成分組成について以下同じ）、Ｓｉ：０．１〜２％、Ｍｎ：０．０１〜１％およびＣｒ：０．１〜２％を夫々含み、残部が鉄および不可避不純物からなるものが挙げられる。

本発明方法においては、条鋼が更に他の元素として、Ｍｏ：０．４％以下（０％を含まない）を含有するものであってもよく、これによって条鋼の特性が更に改善される。また本発明方法によって得られる条鋼は、軸受け鋼または機械構造用鋼として極めて有用なものである。

本発明方法によれば、熱間圧延前の加熱条件（昇温速度および雰囲気）を厳密に制御することによって、加熱時でのスケールの割れや剥離を招くことなく、表面の脱炭を抑制した条鋼を製造することができ、このようにして得られる条鋼は、軸受け鋼または機械構造用鋼として極めて有用なものである。

本発明者らは、表面の脱炭を抑制した条鋼の実現を目指して、特に炉（加熱炉）内における脱炭とスケール生成の関係について検討した。その結果、脱炭の発生は、加熱時に鋼材表面に形成されるスケールの成長と剥離の影響を受け、スケールが薄く密着する低温域においては、脱炭深さは時間で決まり、加熱炉内の時間短縮が有用であることが判明した。

一方、炉内の温度が比較的高くなる領域（高温領域）では、脆いＦｅＯ（ウスタイト）が急成長してスケールが厚くなるため、スケールに割れが生じたり、スケールが鋼材表面から剥離する現象が発生する。こうした現象が生じると、スケール（ＦｅＯ層）と鋼材との界面における酸素ポテンシャルが高くなり、炭素と酸素が化合してＣＯ₂の生成反応が促進されることになり、脱炭層が深くなることも判明した。

本発明者らは、上記着想に基づき、加熱時の表面の脱炭を抑制した条鋼を実現するための具体的条件について、更に鋭意研究を重ねた。その結果、加熱段階での温度領域（低温域および高温域）に応じて、その条件（昇温速度および雰囲気）を厳密に制御することによって、加熱時のスケールの割れや剥離を招くことなく、表面の脱炭を抑制した条鋼を製造できることを見出し、本発明を完成した。

具体的には、炉内における脱炭発生を最小限に抑えるために、薄いスケールが生成する低温域（炉内での低温側温度：６００℃までの温度域）では、昇温速度を大きくして急速昇温し、それ以降の高温域（炉内での高温側温度：６００℃以上の温度域）では、剥離しやすいＦｅＯの生成を抑制し、鋼材との密着性が高く、緻密なＦｅ₃Ｏ₄を形成するための雰囲気制御（酸素添加）を行うと共に、そのスケール層（即ち、「Ｆｅ₃Ｏ₄層」）の成長に伴う応力起因のスケール割れと剥離を抑制するために、高温域では昇温速度を低めにして緩やかに酸化させることが有用である。尚、加熱炉内の温度は、鋼材表面温度で管理したものである。

本発明方法を採用することによって、加熱時のスケールの割れや剥離を防止でき、スケール／鋼材界面での酸素ポテンシャルを下げることによって、脱炭深さを低減できるのである。上記のような観点から決定される、本発明方法の各要件の規定理由は、下記の通りである。

まず熱間圧延前の炉内にて、６００℃までの温度域においては、薄い密着スケール（Ｆｅ₃Ｏ₄）が生成し、脱炭がほとんど進行しないが、炉内時間が長くなると、脱炭が生じる可能性があるので、在炉時間をできるだけ短くすることが必要である。こうした観点から、６００℃までは、昇温速度を２０℃／分以上の急速昇温とする必要がある。また、この昇温速度が２０℃／分未満となると、生産性を著しく低下させることにもなる。このときの好ましい昇温速度は２５℃／分以上（より好ましくは３０℃／分以上）である。しかしながら、昇温速度が５０℃／分を超えると、加熱炉内に特別の昇温装置を設ける必要が生じ、コスト高となるので好ましくない。昇温速度のより好ましい上限は４５℃／分以下（より更に好ましくは４０℃／分以下）である。尚、加熱開始温度は、通常は室温（２５℃程度）であるが、これに限定されるものではない。

一方、炉内の温度が６００℃以上の温度域では、ＦｅＯの生成を抑え、且つＦｅ₃Ｏ₄の成長を促進するために、炉内雰囲気中の酸素濃度を３．０体積％以上とする必要がある。この酸素濃度が３．０体積％未満となると、Ｆｅ₃Ｏ₄の生成が不十分となり、スケールが加熱中に割れたり、剥離したりして脱炭深さが増加する。一方、酸素濃度が１０．０体積％を超えると、Ｆｅ₃Ｏ₄が急速に成長して、厚スケール化してスケールが割れ、剥離が生じ、脱炭深さが増加する。尚、酸素濃度は好ましい下限は４体積％以上（より好ましくは５体積％以上）であり、好ましい上限は９体積％以下（より好ましくは８体積％以下）である。

また炉内の温度が６００℃以上の温度域では、昇温速度も適切に調整する必要がある。この昇温速度が５℃／分未満では、Ｆｅ₃Ｏ₄が急速に成長して、厚スケール化してスケールが割れ、剥離が生じ、脱炭深さが増加する。一方、このときの昇温速度が２０℃／分以上となると、Ｆｅ₃Ｏ₄の成長応力により、Ｆｅ₃Ｏ₄が割れたり剥離が発生し、脱炭が進行する。このときの昇温速度の好ましい下限は６℃／分以上（より好ましくは７℃／分以上）である。また昇温速度の好ましい上限は１８℃／分以下（より好ましくは１６℃／分以下）である。

加熱炉からの抽出温度（加熱終了温度）は、１２００℃以下とする必要がある。この温度が１２００℃を超えると、高酸素濃度雰囲気下においてもＦｅ₃Ｏ₄が急速に成長して割れや剥離が発生し、脱炭深さが増加することになる。好ましくは１１５０℃以下である。また、このときの温度が低くなりすぎると、得られる条鋼の直径（線材径や棒鋼径）や圧延速度、圧延設備の能力等の製造条件の制約によっては、その後の熱間圧延ができなくなる可能性があるので、抽出温度は９００℃以上とすることが好ましく、より好ましくは９５０℃以上である。

本発明方法は、上記の抽出温度で抽出した後、再加熱せずにそのまま熱間圧延を行うことによって条鋼（線材、棒鋼）を製造すること想定したものであるが、鋼材（ビレット）表面層の高温酸化皮膜（スケール）を除去してから、熱間圧延を行うようにしても良い。このときの、スケール除去法としては、高圧水をビレット表面に吹き付けることによってスケールを除去する方法が一般的な方法として挙げられる。尚、この段階では、スケールの剥離性は良好である必要があるが、この段階でのスケール剥離性を、加熱時の剥離性と区別して「熱間圧延時のスケール剥離性」と呼ぶ。

本発明で製造される条鋼は、軸受け鋼や機械構造用鋼として用いられることを想定したものであるが、その基本的な化学成分組成としては、Ｃ：０．１〜１．５％、Ｓｉ：０．１〜２％、Ｍｎ：０．０１〜１％およびＣｒ：０．１〜２％を夫々含み、残部が鉄および不可避不純物からなるものが挙げられる。これらの基本成分による作用効果は次の通りである。

［Ｃ：０．１〜１．５％］
Ｃは鋼材の強度を高めるのに有効な元素であり、そのためには０．１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｃ含有量が過剰になると冷間加工性が低下するので１．５％以下とすることが好ましい。尚、Ｃ含有量のより好ましい下限は０．２％以上（更に好ましくは０．５％以上）であり、より好ましい上限は１．３％以下（更に好ましくは１．１％以下）である。

［Ｓｉ：０．１〜２％］
Ｓｉは鋼材の強度を確保する上で有効な元素であり、そのためには０．１％以上含有させることが好ましい。しかしながら、Ｓｉ含有量が過剰になると、熱間圧延時のスケール剥離性を損なうので２％以下とすることが有効である。尚、Ｓｉ含有量のより好ましい下限は０．１５％以上（更に好ましくは０．２％以上）であり、より好ましい上限は１．８５％以下（更に好ましく１．８％以下）である。

［Ｍｎ：０．０１〜１％］
Ｍｎは鋼材の強度および靭性を確保するために有効な元素であり、そのためには０．０１％以上とする。しかしながら、Ｍｎ含有量が過剰になると、鋼材の靭性を損なうと共に溶接性を阻害するので１％以下とする必要がある。尚、Ｍｎ含有量の好ましい下限は０．１％以上（より好ましくは０．２％以上）であり、好ましい上限は０．９％以下（より好ましくは０．８％以下）である。

［Ｃｒ：０．１〜２％］
Ｃｒは鋼材に強度を付与するために必要な元素であり、Ｃｒ含有量が０．１％未満では鋼部品の強度が不足することになる。しかしながら、Ｃｒ含有量が多くなり過ぎると、熱間圧延時のスケール剥離性を著しく損なうので、２％以下とする必要がある。尚、Ｃｒ含有量の好ましい下限は０．３％以上（より好ましくは０．５％以上）であり、好ましい上限は１．８％以下（より好ましくは１．５％以下）である。

本発明で規定する含有元素は上記の通りであって、残部は鉄および不可避不純物であり、該不可避不純物（例えば、Ｓ，Ｐ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｏ，Ｎ等）として、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素の混入が許容され得る。また、これらの不純物のうち、Ｓ，Ｐ，ＣｕおよびＮｉについては、下記のように抑制することが好ましい。また、鋼材の強度を高めるという観点から、所定量のＭｏを含有させることも有用である。

［Ｓ：０．０５％以下（０％を含まない）］
Ｓは硫化物系介在物ＭｎＳを形成し、これが鋼材の熱間圧延時に偏析することによって、鋼材を脆化させるので、できるだけ抑制することが好ましい。こうした観点から、Ｓ含有量は０．０５％以下とすることが好ましい。Ｓ含有量は、より好ましくは０．０２５％以下であり、更に好ましくは０．０１５％以下であるが、量産工程で製造する観点からは、０％とすることは困難である。

［Ｐ：０．０５％以下（０％を含まない）］
Ｐは、微量に含まれる場合には、鋼材の強度を高める方向に作用するが、過剰に含有されると、鋼材の脆性を高めるので、０．０５％以下とすることが好ましい。Ｐ含有量は、より好ましくは０．０２５％以下であり、更に好ましくは０．０１５％以下であるが、量産工程で製造する観点からは、０％とすることは困難である。

［Ｃｕ：０．３％以下（０％を含まない）］
Ｃｕは、１３５６Ｋで液相となり、熱間圧延での変形中にオーステナイト結晶粒界に侵入し、表面割れを発生させるため、できるだけ低減することが好ましい。こうした観点から、Ｃｕ含有量は０．３％以下とすることが好ましい。Ｃｕ含有量は、より好ましくは０．１％以下であり、更に好ましくは０．０５％以下である。

［Ｎｉ：０．３％以下（０％を含まない）］
Ｎｉは鋼材表面に不均一に濃化し、スケール表面の凹凸を大きくして熱間圧延時のスケール剥離性を悪化させるため、０．３％以下に抑制することが好ましい。Ｎｉ含有量は、より好ましくは０．２％以下であり、更に好ましくは０．０５％以下である。

［Ｍｏ：０．４％以下（０％を含まない）］
Ｍｏは、鋼材の強度を向上させる上で有用な元素である。しかしながら、過剰に含有すると鋼材の延性を劣化させるので、０．４％以下とすることが好ましい。上記効果を発揮させるためには、Ｍｏ含有量は０．０１％以上（より好ましくは０．１％以上）とすることが好ましい。Ｍｏ含有量のより好ましい上限は０．３５％以下（更に好ましくは０．３０％以下）である。

本発明によれば、圧延材の脱炭を抑制できる。圧延材の全脱炭深さは、例えば０．２０ｍｍ以下、好ましくは０．１８ｍｍ以下、より好ましくは０．１５ｍｍ以下である。フェライト脱炭深さは、例えば０．０５ｍｍ以下、好ましくは０．０３ｍｍ以下、より好ましくは０ｍｍである。

本発明で対象とする条鋼は、所定の部品形状にされた後、焼入れ・焼戻しされて軸受部品や機械構造用部品に製造されるものであるが、条鋼段階の形状についてはこうした製造に適用できるような線状・棒状のいずれも含むものであり、そのサイズも、最終製品に応じて適宜決めることができる。

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することは勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

［実施例１］
下記表１に示す各種化学成分組成（鋼種Ａ〜Ｇ）の鋼材（ビレット）を溶製した。この鋼材から、サイズ８ｍｍφ×１２ｍｍＬの円柱状に切削加工、表面研磨し、表層に脱炭層の無いサンプルを作製した。

上記で得られた各サンプルに対して、加熱炉内における昇温速度（室温から６００℃までの昇温速度、６００℃以上の温度域での昇温速度）、酸素濃度（酸素以外は、窒素、水分、二酸化炭素からなる雰囲気）、抽出温度を種々変化させ、その後熱間圧延を行って７７０℃で巻取り、１５℃／分の冷却速度で冷却した。尚、温度については、炉内設置の熱電対（予め別の熱電対によって試験片表面に換算する）で鋼材表面温度を管理した。

熱間圧延後の試験片の断面の顕微鏡観察を行い、フェライト脱炭深さ、および全脱炭深さを測定した（ＪＩＳ Ｇ ０５５８に準拠）。このときの全脱炭深さの合格基準は０．２０ｍｍ以下である（フェライト脱炭については、「生成せず」で合格）。

これらの結果から、次のように考察することができる。まず試験Ｎｏ．１、７、９、１０、１２〜１４は、本発明で規定する条件で熱処理を施した実施例であり、いずれも全脱炭深さが０．２０ｍｍ以下に抑えられており、またフェライト脱炭も生成していないことが分かる。

これに対して、試験Ｎｏ．２〜６、８、１１、１５のものは、本発明で規定する要件のいずれかを満足しないものであり、フェライト脱炭が生じているか、または少なくとも全脱炭深さが大きくなっている。即ち、試験Ｎｏ．２、８は、６００℃以上の温度域での雰囲気酸素濃度が低い例であり、Ｆｅ₃Ｏ₄の生成が不十分で、スケールが加熱中に割れ、剥離して全脱炭深さが大きくなっている。

試験Ｎｏ．３は、６００℃以上の温度域での昇温速度が小さくなっている例であり、Ｆｅ₃Ｏ₄が急速に成長して厚スケールとなり、スケールが加熱中に割れ、剥離して全脱炭深さが大きくなっている。試験Ｎｏ．４、１５は、６００℃以上の温度域での昇温速度が大きくなっている例であり、Ｆｅ₃Ｏ₄の成長応力によって、Ｆｅ₃Ｏ₄が割れ、剥離して全脱炭深さが大きくなっている。

試験Ｎｏ．５は、加熱炉からの抽出温度が高くなっている例であり、Ｆｅ₃Ｏ₄が急速に成長して厚スケールとなり、スケールが加熱中に割れ、剥離して全脱炭深さが大きくなると共に、フェライト脱炭も生じている。試験Ｎｏ．６、１１は、６００℃以上の温度域での雰囲気中酸素濃度が大きくなっている例であり、Ｆｅ₃Ｏ₄が急速に成長して厚スケールとなり、スケールが加熱中に割れ、剥離して全脱炭深さが大きくなっている。尚、試験Ｎｏ．１１のものでは、６００℃以上の温度域での雰囲気中酸素濃度が高過ぎることに原因して、フェライト脱炭も生成している。

Claims (4)

1. 鋼材を炉で加熱し、次いで熱間圧延して条鋼を製造する方法であって、
   前記炉の昇温速度と雰囲気を、鋼材の表面温度に応じて、下記の通りにし、且つ炉からの抽出温度を１２００℃以下とすることを特徴とする条鋼の製造方法。
   １）６００℃まで：昇温速度２０℃／分以上
   ２）６００℃以上：酸素濃度３．０体積％以上、１０．０体積％以下の炉内雰囲気
   昇温速度５℃／分以上、２０℃／分未満
2. 前記条鋼は、Ｃ：０．１〜１．５％（質量％の意味、化学成分組成について以下同じ）、Ｓｉ：０．１〜２％、Ｍｎ：０．０１〜１％およびＣｒ：０．１〜２％を夫々含み、残部が鉄および不可避不純物からなるものである請求項１に記載の製造方法。
3. 前記条鋼は、更に他の元素として、Ｍｏ：０．４％以下（０％を含まない）を含有するものである請求項２に記載の製造方法。
4. 前記条鋼は、軸受け鋼または機械構造用鋼として用いられるものである請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。