JP6210172B2 - 焼入れ鋼材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、焼入れ鋼材の製造方法に関する。

鋼材の任意の箇所を、加熱し、任意の形状に曲げ、焼入れにより高強度化する３次元熱間曲げ焼入れ(３ＤＱ: 3Dimensional Hot Bending and Quench)技術を本発明者達は研究開発している。３ＤＱは車両の構造材等の製造に好適に用いられる技術である。３ＤＱにより製造される構造材には軽量かつ高強度という特長がある。３ＤＱによる構造材等の製造には金型が不要であるという特長がある。

３ＤＱ装置では、加熱装置と冷却装置が近接して配置される。３ＤＱ装置を使用した鋼材の加工では、鋼材を加熱装置と冷却装置の順に通過させながら、加熱装置と冷却装置の間の鋼材に生じる高温部に任意の方向の曲げモーメントを与える。３ＤＱ技術によって、鋼材の任意の箇所が任意の形状に曲げられ、焼入れされた部材に加工できる。

曲げモーメント付与手段は、特に限定されない。曲げモーメント付与手段としては、特許文献１のように冷却装置の鋼材送り方向下流側に配置された可動ローラーダイス、特許文献２のように鋼材送り方向下流側の鋼材端部に取り付けられたチャックとマニピュレータ、特許文献３のように鋼材送り方向上流側の鋼材端部に取り付けられたチャックとマニピュレータが例示される。

３ＤＱでは、曲げ加工のみならず、ねじり加工も可能である。特許文献１と特許文献３には３ＤＱでねじり加工が可能であることが開示されている。特許文献４には３ＤＱによるねじり部材が開示されている。

国際公開第２００６／０９３００６号 国際公開第２０１０／０５０４６０号 国際公開第２０１１／００７８１０号 国際公開第２０１０／０８４８９８号

本明細書の主な目的は、３ＤＱ等の、熱間で曲げ変形を行い、その後焼入れを行う技術で製造された部材の疲労破壊を防止または抑制できる技術を提供することにある。

本明細書の一態様によれば、
鋼材を加熱することで鋼材の表面に酸化被膜を生成する酸化被膜生成工程と、
前記酸化被膜生成工程によって表面に酸化被膜が生成された鋼材を、加熱する位置が前記鋼材の軸方向に移動するように、部分的にＡｃ３変態点以上の温度に急速加熱する加熱工程と、
前記鋼材に生じる高温部が局所的になるように、前記加熱工程により加熱する位置に近接する位置を冷却して焼入れする焼入れ工程と、
前記加熱工程と前記焼入れ工程により発生した鋼材の軸方向に移動する局所的な高温部に曲げモーメントを加えて前記高温部を曲げ変形する変形工程と、
を備える焼入れ鋼材の製造方法が提供される。

本明細書により、熱間で曲げ変形を行い、その後焼入れを行う技術で製造された部材の疲労破壊を防止または抑制できる技術が提供される。

図１は、本発明の好ましい実施の形態の焼入れ鋼材の製造装置を説明するための概略構成図である。 図２は、実施例１、実施例２および比較例における鋼管の曲げ形状、および割れ観察位置を示す鋼管の全体図である。 図３は、実施例１、実施例２および比較例における鋼管の横断面形状、および硬さ測定位置を示す横断面図である。 図４は、実施例２における硬さの測定結果の一例を示すグラフである。

３ＤＱで製造された部材を疲労試験すると、１５０万回程度負荷をかけると疲労破壊することがある。疲労破壊した破面にはＣｕ（銅）の介在が認められ、Ｃｕが疲労破壊に影響していると考えられる。３ＤＱに供せられる鋼材には故意にＣｕを付着させることは無く、Ｃｕはどこからか混入したものと考えられる。

３ＤＱで製造された部材の疲労破壊した破面は粒界破面であり、破面にはＣｕが存在する。また、疲労破壊は曲げられた部材の曲げの外側で発生することが多い。このことから本発明者達は、疲労破壊の発生する理由を次のように考えた。

３ＤＱは、次のような方法である。鋼材を送りながら、誘導加熱装置でＡｃ３変態点以上まで鋼材を局所的に加熱し、誘導加熱装置から鋼材の送り方向下流側において冷却装置で鋼材を速やかに焼入れする。誘導加熱装置と冷却装置の間の鋼材には局所的なＡｃ３変態点以上の温度の高温部が生じる。この高温部に曲げモーメントを与えることで鋼材を熱間曲げし、冷却装置による冷却により焼入れと形状の固定を行う。

鋼材表面にＣｕが混入すると誘導加熱によりＣｕが溶融し鋼材表面から鋼材の結晶粒界に溶け込む。Ｃｕが溶け込み結晶粒界が弱くなった鋼材に曲げモーメントが与えられると結晶粒界に沿って微細な亀裂（粒界割れ）が生じる。微細な亀裂を抱えたまま鋼材に繰り返し負荷が与えられると微細な亀裂が起点になり、疲労破壊が生じる。

この仮説によれば、Ｃｕが溶融し、鋼材表面から鋼材の結晶粒界に溶け込まなければ疲労破壊を防止または抑制できる。

ところで、従来、３ＤＱに供せられる鋼材である溶接鋼管は、熱間圧延し、酸洗して表面の酸化被膜を除去し、鋼管の径に応じてスリット(幅切り)し、丸めて端部を溶接(造管)して製造される。表面の酸化被膜を除去するのは、耐食性を確保するため塗装するのに邪魔だからである。

疲労破壊した鋼材は、この酸洗工程を経て造管された溶接鋼管（所謂、白皮鋼管）を、誘導加熱装置で１０００℃以上に急速加熱（例えば、昇温速度８００℃／ｓｅｃ）して製造したものであった。急速加熱するのは鋼材の高温で軟化した領域を狭くした方が、加工精度が良好であるからである。鋼材のＡｃ３変態点はその組成にもよるがおおよそ８００〜９００℃である。急速加熱した場合、元の素材の鋼材中の炭化物の分布が均一でないためＣ（炭素）が均一に分散せず、焼入れした後の硬度が安定しない。焼入れした後の硬度を安定させるべく、Ｃを均一に分散させるには急速加熱する場合１０００℃以上の加熱が好ましい。

よって、Ｃｕの溶融を避けるべく加熱温度を下げると、焼入れ後の硬度に支障をきたす。また、Ｃｕの溶融が避けられる低い温度でもＣを分散させるべく加熱速度を下げ加熱する領域を広くすると、軟化した領域の幅（鋼材送り方向の幅）が広くなり、加工精度に支障をきたす。加熱速度を下げると同時に加熱する位置の移動速度を下げると、生産性に支障をきたす。つまり、熱間曲げ焼入れの条件（加熱温度や加熱速度）を変更しただけでは焼入れ後の硬度と加工精度、生産性と疲労破壊回避の全てを解決することはできない。

そこで、本発明者達は、鋼材に曲げモーメントを加える曲げ加工の前に、鋼材に付着しているＣｕを除去または無害化することができれば、熱間曲げ加工時の急速加熱による加熱温度を高くしたとしてもＣｕが結晶粒界まで到達せず、焼入れ後の硬度と加工精度と疲労破壊回避の全てを達成できると考えた。無害化の手法は、鋼材を加熱し、鋼材の表面に酸化被膜を生成した素材で熱間曲げ曲げ加工することである。鋼材の表面に付着していたＣｕは酸化被膜に取り込まれ、熱間曲げ加工の際に酸化被膜の下の鋼に接触することが避けられる。また、加熱することでＣｕ合金中の蒸発しやすい金属(例えばＺｎ)を蒸発させ、Ｃｕ合金中のＣｕの割合を上げ、Ｃｕ合金の融点を上昇させる。Ｃｕ合金の融点が上がれば、熱間曲げ加工時にＣｕが溶融し、鋼材の結晶粒界に侵入することを避けられる。

本明細書の好ましい実施の形態は、上記知見に基づくものである。

以下、好ましい実施の形態について説明する。

―焼入れ鋼材の製造方法―
実施形態の焼入れ鋼材の製造方法は、鋼材の表面に酸化被膜を生成する酸化被膜生成工程と、この酸化被膜生成工程によって表面に酸化被膜が生成された鋼材を熱間曲げ焼入れ（３ＤＱ加工）する熱間曲げ焼入れ工程と、を備える。

このうち後者の熱間曲げ焼入れ工程について、説明する。熱間曲げ焼入れ工程は、鋼材を局所的に誘導加熱し、局所的に誘導加熱された高温部分を局所的に連続して変形した後、鋼材の局所的に連続して変形された部分を連続して焼入れ（冷却）して、マルテンサイト変態させるというものである。別の説明をすると、加熱する位置が鋼材の軸方向に移動するように鋼材を部分的に急速加熱しつつ、加熱する位置に近接する位置を冷却して焼入れする。このときの加熱と冷却により鋼材には局所的な高温部が発生するので、この局所的な高温部に曲げモーメントを加えて高温部を曲げ変形するというものである。

加熱は、誘導加熱で行う。加工精度を高めるためには、鋼材の高温で軟化した領域（高温部）を狭くした方がよく、そのためには、加熱速度は大きい方がよいから誘導加熱を採用する。高温で軟化した領域を狭くするために、鋼材を誘導加熱で局所的に加熱し、局所的に誘導加熱する部分の位置を連続して移動させつつ、冷却装置で冷却する位置も誘導加熱にあわせて移動させる。誘導加熱する位置を移動させるため、誘導加熱装置を鋼材に対して移動させてもよいし、鋼材を誘導加熱装置に対して移動させてもよい。

加熱する温度は、各元素の成分量に対して下記実験式（１）で示されるＡｃ３変態点以上の温度である。
Ａｃ３＝９１０−２０３×√Ｃ−１５．２×Ｎｉ＋４４．７×Ｓｉ＋１０４×Ｖ＋３１．５×Ｍｏ−３０×Ｍｎ−１１×Ｃｒ −２０×Ｃｕ＋７００×Ｐ＋４００×Ａｌ＋５０×Ｔｉ ・・・・（１）

鋼材の局所的に誘導加熱される部分がＡｃ３変態点に到達してから焼入れ用の冷却が行われるまでの時間は、安定したオーステナイト化を図るためには０．２秒以上、生産性の観点からは１．０秒以下であることが好ましい。

熱間変形焼入れ技術は、熱間で曲げ、捩り、せん断等の変形を行い、その後焼入れを行う技術であるので、金型等を必要としない。誘導加熱と鋼材外側からの冷却のため、加熱と冷却は鋼材の表面とその近傍で行われる。したがって、自動車部品用途のようなある程度太い鋼材を加工する場合、素材となる鋼材は、鋼管形状のものが使用される。その中でも、溶接鋼管の鋼材が、熱間変形焼入れ用素材として好適に用いられる。その理由は、コスト（鋼管価格）と寸法精度（鋼管の肉厚が均一）のためである。

また、素材として用いる鋼材は、その横断面の形状が円形以外の形状の鋼管、すなわち所謂異形管であってもよい。換言すると、溶接により断面円形に形成された鋼管を、さらに変形させて、横断面形状が円形以外の形状（例えば、扁平な形状や矩形）になるように成型した鋼管を素材としてもよい。

次に、酸化被膜生成工程について説明する。酸化被膜生成工程は、鋼材の表面に酸化被膜を生成する工程である。酸化被膜生成工程では、鋼材を加熱することで鋼材の表面に酸化被膜を生成する。加熱は、酸素を含む雰囲気中、例えば大気雰囲気中で行う。

加熱温度は、Ａｃ３変態点以上が好ましく、加熱時間は、１０秒〜６０分以内が好ましい。ここでいう加熱時間とは、所定の温度以上の加熱状態が続く時間である。
加熱により生成する酸化被膜にＣｕ（Ｃｕ−Ｚｎ含む）を取り込ませるため、また、Ｃｕ−Ｚｎの変質させるためには、Ａｃ３変態点以上の加熱温度で１０秒以上加熱することが好ましい。より好ましくは、５分以上の加熱時間である。また、過度の加熱による鋼材表層の脱炭や結晶粒の粗大化を防止するため、加熱時間は６０分以内が好ましい。

加熱に用いる手段・装置は、特に限定されない。例えば、ガスを燃焼して炉加熱してもよいし、誘導加熱してもよいし、通電加熱してもよい。熱間曲げ焼入れ工程に用いる３ＤＱ装置（後に説明する焼入れ鋼材製造装置１０）を用いてもよい。加熱時間に関する上述の事情を考慮すると、鋼材全体を同時に加熱でき、長時間の加熱がしやすい加熱炉を用いることが好ましい。

このうち３ＤＱ装置を用いた加熱は、３ＤＱ装置の誘導加熱装置で行う。誘導加熱装置では鋼材を部分的にしか加熱できないが、部分的に加熱する位置が移動するように誘導加熱装置と鋼材とを相対移動させることで鋼材全体を加熱することができる。この際、３ＤＱ装置による曲げ加工は行わない。

加熱炉による加熱の場合は、加熱炉はバッチ炉でもよいし連続炉でもよい。また、ガス炉、重油炉、電気炉、赤外線炉などを用いることができる。

酸化被膜生成工程に供される素材は、熱間圧延工程後に酸洗工程を経て造管された溶接鋼管、すなわち白皮鋼管であってもよい。また、酸化被膜生成工程に供される素材は、熱間圧延工程後に酸洗工程を経ずに造管された溶接鋼管（黒皮鋼管）であってもよい。いずれの溶接鋼管であっても、酸化被膜生成工程で加熱することで、溶接部を含めた表面全体に酸化被膜が生成する。

なお、酸化被膜生成を生成した後に熱間曲げ焼入れ（３ＤＱ加工）した加工品から酸化被膜を除去する必要があれば、３ＤＱ加工後に、酸洗やショットブラストで除去すればよい。

―焼入れ鋼材の製造装置―
次に、図１を参照して、上述の製造方法に用いる焼入れ鋼材製造装置１０を説明する。

実施の形態の焼入れ鋼材製造装置１０は、熱間変形焼入れ部１２、移動装置２１、ガイド４０および変形力付与装置７１を備えている。

（熱間変形焼き入れ部）
熱間変形焼入れ部１２は、高周波誘導加熱装置５２と水冷装置５４とを備えている。高周波誘導加熱装置５２は鋼材移動方向２の上流側に配置され、冷却装置５４は鋼材移動方向２の下流側に配置されている。

高周波誘導加熱装置５２は、誘導加熱コイル５１と誘導加熱コイル５１に高周波電力を供給する高周波電源５５を備えている。高周波電源５５から誘導加熱コイル５１に高周波電力が供給され、誘導加熱コイル５１の内側の鋼材１の一部分６１に局所的に誘導電流を発生させて鋼材１の一部分６１を局所的に誘導加熱する。

冷却装置５４は、ノズル５３と、ノズル５３に冷却水を供給する冷却水供給部５７とを備えている。冷却水供給部５７から供給された冷却水をノズル５３によって鋼材１に吹き付け、加熱された鋼材１を急速冷却して鋼材１を焼入れする。

（変形力付与装置）
変形力付与装置７１は、変形力付与装置７１の保持部７２で鋼材１のノズル５３よりも鋼材移動方向２の下流側の部分を保持する。保持部７２としては、例えば、チャックが好適に用いられる。変形力付与装置７１としては、例えば、マニピュレータが好適に用いられる。マニピュレータとチャックに代えて、可動ローラーダイスも好適に用いられる。変形力付与装置７１によって、誘導加熱コイル５１によって局所的に誘導加熱された一部分６１とノズル５３によって冷却水が吹き付けられ急速冷却される部分６５との間の加熱された高温部分６３に局所的に変形力が加えられる。変形力としては曲げモーメントを含み、場合によっては捩り力やせん断力が付与される。

（ガイド）
ガイド４０は、熱間変形焼入れ部１２の誘導加熱コイル５１よりも鋼材移動方向２の上流側であって、誘導加熱コイル５１に近接して設けられている。

（移動装置）
移動装置２１は、移動装置２１の保持部２３で鋼材１の鋼材移動方向２の上流側の部分を保持して、長尺の鋼材１をその長手方向（鋼材移動方向２）に沿って連続して移動させる。

誘導加熱コイル５１およびノズル５３は、鋼材移動方向２にこの順に配置されている。移動装置２１は、鋼材１を鋼材移動方向２に沿って連続して移動させるので、鋼材１を誘導加熱コイル５１およびノズル５３の順に移動させる。また、鋼材１の鋼材移動方向２に沿った連続的な移動によって、誘導加熱コイル５１によって局所的に誘導加熱される鋼材１の一部分６１、変形力付与装置７１によって局所的に変形力が加えられる鋼材１の高温部分６３およびノズル５３によって冷却水が吹き付けられ急速冷却される部分６５も鋼材移動方向２に沿って連続的に移動する。

なお、移動装置２１による、鋼材１の誘導加熱コイル５１およびノズル５３に対する移動は相対的なものであり、誘導加熱コイル５１およびノズル５３を固定して、鋼材１を移動させてもよく、鋼材１を固定して、誘導加熱コイル５１およびノズル５３を移動してもよい。

移動装置２１としては、例えば、電動サーボシリンダーやマニピュレータが好適に用いられる。保持部２３としては、例えば、チャックが好適に用いられる。

（制御装置）
移動装置２１、高周波誘導加熱装置５２、水冷装置５４、および変形力付与装置７１は制御装置１００に接続され、制御装置１００によって制御される。前述および後述の熱間変形焼入れ等は、制御装置１００による、移動装置２１、高周波誘導加熱装置５２、水冷装置５４、および変形力付与装置７１の制御によって行われる。

―化学組成―
素材である鋼材は、好ましくは、
化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．１２％以上０．６０％以下、
Ｓｉ：０．００１％以上２．０％以下、
Ｍｎ：０．５％以上３．０％以下、
Ｐ：０．０５％以下、
Ｓ：０．０１％以下、
ｓｏｌ．Ａｌ：０．００１％以上１．０％以下、
Ｎ：０．０１％以下、
Ｂ：０．０１％以下、
残部：Ｆｅおよび不純物である。

また，前記化学組成が、Ｆｅの一部に代えて、質量％で、
Ｔｉ：０．００１％以上０．０５％以下、
Ｎｂ：０．００１％以上０．０５％以下、
Ｖ ：０．０２％以上０．５％以下、
Ｃｒ：０．０２％以上０．５％以下、
Ｍｏ：０．０２以上０．５％以下、
Ｃｕ：０．０２％以上１．０％以下および
Ｎｉ：０．０２％以上１．０％以下、
からなる群から選ばれた１種または２種以上の元素を含有してもよい。

（１）Ｃは質量％で、０．１２〜０．６０％の範囲であることが好ましい。
実施の形態にの加工方法は、熱処理と加工履歴を制御して、オーステナイト相からマルテンサイト等の硬質相へ組織変態した高強度化・加工品を得る、いわゆる焼入れを利用した製造方法である。鋼板の焼入れ後の強度は、主にマルテンサイト相の硬さを支配するＣ含有量によって決まるため、求める強度に応じてＣ含有量を決定する。実施の形態での狙いの強度１２００ＭＰａ以上を確保するために、Ｃ含有量を０．１２％以上とすることが好ましい。より高強度を安定して得るためには０．２０％超とすることがより好ましい。０．６０％超のＣ含有量の場合、焼入れ後の組織靭性が劣化し、脆性破壊を発生する危険性が高まる。したがってＣ含有量の上限を０．６０％とすることが好ましく、より好ましくは、０．５０％以下である。

（２）Ｓｉは質量％で、０．００１％〜２．０％の範囲であることが好ましい。
Ｓｉは、オーステナイト相から低温変態相へ変態するまでの冷却過程において炭化物の生成を抑制するため延性を劣化させることなく、あるいは、延性を向上させて、焼入れ後の強度を高める作用を有する元素である。Ｓｉ含有量が０．００１％未満では上記作用を得ることが困難である。したがって、Ｓｉ含有量は０．００１％以上とすることが好ましい。なお、Ｓｉ含有量を０．０５％以上にすると、延性がさらに向上する。したがって、Ｓｉ含有量は０．０５％以上とすることがより好ましい。一方、Ｓｉ含有量が２．０％超では、上記作用による効果は飽和して経済的に不利となる上、表面性状の劣化が著しくなる。したがって、Ｓｉ含有量は２．０％以下とすることが好ましい。より好ましくは１．５％以下である。

（３）Ｍｎは質量％で、０．５％〜３．０％以下の範囲であることが好ましい。
Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高め、焼入れ後の強度を安定して確保するために、非常に効果のある元素である。しかし、Ｍｎ含有量が０．５％未満では、実施の形態のような急速冷却条件下でもその効果が十分に得られず、焼入れ後の強度で１２００ＭＰａ以上の引張強度を確保することが非常に困難となる。したがって、Ｍｎ含有量は０．５％以上とすることが好ましい。なお、Ｍｎ含有量を１．０％以上にすると、焼入れ後の強度で１３５０ＭＰａ以上の引張強度を確保することが可能となる。このため、Ｍｎ含有量は１．０％以上とすることがより好ましい。一方、Ｍｎ含有量が３．０％超では、バンド状の組織の不均一組織となり、衝撃特性の劣化が顕著となる。したがって、Ｍｎ含有量は３．０％以下とすることが好ましい。合金コスト等の観点からＭｎ含有量を２．５％以下とすることがより好ましい。

（４）Ｐは質量％で０．０５％以下であることが好ましい。
Ｐは、一般には鋼に不可避的に含有される不純物であるが、固溶強化により、強度を高める作用を有するので積極的に含有させてもよい。しかし、Ｐ含有量が０．０５％超では本発明部材と他部材との抵抗溶接性の劣化が著しくなる。また２５００ＭＰａ以上の高強度化を狙った場合に脆性破壊の危険性が高まる。したがって、Ｐ含有量は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０．０２％以下である。上記作用をより確実に得るには、Ｐ含有量を０．００３％以上とすることが好ましい。

（５）Ｓは質量％で０．０１％以下であることが好ましい。
Ｓは、鋼に不可避的に含有される不純物であり、ＭｎやＴｉと結合して硫化物を生成して析出する。この析出物量が過度に増加するとその析出物と主相の界面が破壊の起点となることがあるため低いほど好ましい。Ｓ含有量が０．０１％超ではその悪影響が著しくなる。したがって、Ｓ含有量は０．０１％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．００３％以下、さらに好ましくは０．００１５％以下である。

（６）ｓｏｌ．Ａｌは０．００１％〜１．０％以下の範囲であることが好ましい。
Ａｌは、鋼を脱酸して鋼材を健全化する作用を有する元素であり、また、Ｔｉ等の炭窒化物形成元素の歩留まりを向上させる作用を有する元素でもある。ｓｏｌ．Ａｌ含有量が０．００１％未満では上記作用を得ることが困難となる。したがって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は０．００１％以上とすることが好ましい。より好ましくは０．０１５％以上である。一方、ｓｏｌ．Ａｌ含有量が１．０％超では、溶接性の低下が著しくなるとともに、酸化物系介在物が増加して表面性状の劣化が著しくなる。したがって、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は１．０％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．０８０％以下である。

（７）Ｎは質量％で０．０１％以下であることが好ましい。
Ｎは、鋼に不可避的に含有される不純物であり、溶接性の観点からは低いほど好ましい。Ｎ含有量が０．０１％％超では溶接性の低下が著しくなる。したがって、Ｎ含有量は０．０１％以下とすることが好ましい。より好ましくは０．００６％以下である。

（８）Ｂは質量％で０．０１％以下であることが好ましい。
Ｂは、低温靭性を高める作用を有する元素である。したがって、Ｂを含有させてもよい。しかし、０．０１％を超えて含有させると、熱間加工性が劣化して、熱間圧延が困難になる。したがって、Ｂ含有量は０．０１％以下とすることが好ましい。なお、上記作用による効果をより確実に得るには、Ｂ含有量を０．０００３％以上とすることが好ましい。

（９）その他添加元素
質量％で、Ｔｉ：０．００１％以上０．０５％以下、Ｎｂ：０．００１％以上０．０５％以下、Ｖ：０．０２％以上０．５％以下、Ｃｒ：０．０２％以上０．５％以下、Ｍｏ：０．０２以上０．５％以下、Ｃｕ：０．０２％以上１．０％以下およびＮｉ：０．０２％以上１．０％以下からなる群から選ばれた１種または２種以上の元素を鋼の焼入れ性を向上させ、かつ焼入れ後の強度を安定して確保するために必要応じて添加してもよい。

本発明者達は、素材（素管）として白皮鋼管を用い、以下の３種類の方法（比較例、実施例１および実施例２）で曲げ加工を行った。

比較例の方法は、３ＤＱ装置による曲げ加工の前に、前熱処理（酸化被膜生成工程）を行わない方法である。実施例１の方法は、３ＤＱ装置による曲げ加工の前に、同じ３ＤＱ装置により曲げを伴わない熱処理（大気雰囲気中、加熱温度１０３０℃、加熱時間１７秒）を行う方法である。実施例２の方法は、３ＤＱ装置による曲げ加工の前に、素管を加熱炉に入れて長時間の熱処理（大気雰囲気中、加熱温度１０００℃、加熱時間２．５分〜１０分）を行う方法である。

以上の３つの方法による曲げ加工を行うことで、曲げ加工前の酸化被膜生成工程の有無が３ＤＱ加工品の表面割れおよび焼入れ性に及ぼす影響を調査した。なお、３ＤＱ用の素管の組織は、鋼板から造管する際の加工性を確保するためにフェライト−パーライトであった。

３ＤＱ加工に供する鋼材（素管）の具体的な条件を以下に示す。素管の組成としては、表１に示す化学組成とした。また、素管は、図３に示す横断面形状を有する扁平管とした。この図に示す幅方向の寸法Ｗは４５ｍｍであり、高さ方向の寸法Ｈは１３ｍｍである。また、板厚は２．８ｍｍである。

それぞれの素管の表面にＣｕ−Ｚｎ（六四黄銅）の粉末を付着させた後、上述の３種類の方法による曲げ加工を行った。黄銅の粉末を採用したのは、鋼管の製造ラインには銅部品より黄銅部品が使用されることが多く、黄銅の方が銅に比べ融点が低く疲労問題が生じやすいと判断したためである。

誘導加熱による加熱温度は、９００℃、９５０℃および１０３０℃の３つの条件とした。変形加工としては、図２に示すように、扁平管の平らな面内で曲げ（換言すると、図３の縦方向に中立軸が向くように曲げ）、曲げ半径は９５ｍｍとした。なお、扁平管の平らな面内で曲げたのは、扁平管の平らな面内で曲げると曲げの外側に大きな引張応力が発生して割れの問題が顕在化しやすいからである。

その後、それぞれの加工品の曲げの外側表面（図２参照）を対象に、マイクロスコープ（倍率１７５倍）を用いて割れの有無を観察した。

また、図３に示す合計１２か所の硬さ測定位置において、荷重５ｋｇｆでビッカース硬度を測定して焼入れの有無を評価した。焼入れ有無は、ビッカース硬度４７０以上を焼入れ有、ビッカース硬度４７０未満を焼入れ無と判定した。

上述した合計１２か所の硬さ測定位置を具体的に説明すると、周方向の４か所において、それぞれ板厚方向の３か所である。周方向の４か所とは、扁平管の一対の長辺部の中央位置Ｐ１、Ｐ３と、一対の長辺部を連結する一対の短辺部の中央位置Ｐ２、Ｐ４である。また、板厚方向の３か所とは、外表面から０．５ｍｍの位置、板厚中央の位置、および内表面から０．５ｍｍの位置である。

表２に、評価結果をまとめて示す。なお、割れの有無については、Ａがすべてのサンプルで割れ無し、Ｂが一部サンプルで割れが有ったが割れの発生頻度が５０％未満、Ｃが割れの発生頻度が５０％以上、を表している。また、焼入れの有無については、Ａが焼入れ有り、Ｂが焼入れ無し、を表している。

表２に示されるように、前熱処理を行わなかった場合（比較例）は、焼入れ性が確保できていたが、９００℃、９５０℃および１０３０℃のいずれの条件でも、割れの発生頻度が５０％以上であった。

これに対して、３ＤＱ装置で前熱処理を行った場合（実施例１）は、９００℃、９５０℃および１０３０℃の条件で、比較例と比較して、表面割れの存在したサンプルが減少していた。また、焼入れ性は、９００℃、９５０℃および１０３０℃のいずれの条件でも確保できていた。なお、前熱処理後のスケール厚は、１０μｍであった。

また、加熱炉内で前熱処理を行った場合（実施例２）は、前熱処理の加熱時間が２．５分の場合でも、実施例１と比較して表面割れの存在したサンプルが減少していた。なお、前熱処理後のスケール厚は、１１μｍであった。
加熱時間が５分の場合は、９００℃、９５０℃の条件で、表面割れが存在せず、１０３０℃の条件でも表面割れの存在したサンプルが５０％未満であった。なお、前熱処理後のスケール厚は、３６μｍであった。

さらに、加熱炉での加熱時間が７．５分の場合と１０分の場合は、９００℃、９５０℃および１０３０℃のいずれの条件でも、表面割れが存在しなかった。また、焼入れ性は、いずれの温度条件でも確保できていた。なお、前熱処理後のスケール厚は、加熱時間が７．５分の場合が６５μｍで、１０分の場合が１００μｍであった。図４は、実施例２（加熱時間１０分）における硬さの測定結果の一例である。

すなわち、３ＤＱ装置による曲げ加工の前に、前熱処理（酸化被膜生成工程）を行わなかった場合には、加工品に表面割れが存在したのに対し、前熱処理（酸化被膜生成工程）を行った場合には、加工品の表面割れが減少した。さらに、当該前熱処理を長時間行った場合には、加工品の表面割れが大幅に減少した。酸化被膜の厚さが大きくなるのと、Ｃｕ合金の融点が上昇するためと考えられる。表面割れは疲労破壊の起点となるので、前熱処理を行ったことで疲労破壊が防止または抑制された加工品が得られたこととなる。

以上まとめると、３ＤＱ装置による曲げ加工の前に前熱処理として鋼材の表面に酸化被膜を生成することにより、３ＤＱ加工による安定した焼入れ性を確保したままで、表面割れの発生を抑制することができ、以って加工品の疲労破壊を防止または抑制することができる。したがって、本発明に係る焼入れ鋼材の製造方法は、特に自動車の足回り部品、例えばサスペンションアームなどを製造するのに好適である。

以上、本発明の種々の典型的な実施の形態および実施例を説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態および実施例に限定されない。したがって、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１ 鋼材
２ 鋼材移動方向
１０ 焼入れ鋼材製造装置
１２ 熱間変形焼入れ部
２１ 移動装置
２３ 保持部
４０ ガイド
５１ 誘導加熱コイル
５２ 高周波誘導加熱装置
５３ ノズル
５４ 水冷装置
５５ 高周波電源
５７ 冷却水供給部
７１ 変形力付与装置
７２ 保持部
１００ 制御装置

Claims (5)

1. 鋼材を前記鋼材のＡｃ３変態点以上で５分以上加熱して鋼材の表面に酸化被膜を生成する酸化被膜生成工程と、
   前記酸化被膜生成工程によって表面に酸化被膜が生成された鋼材を、加熱する位置が前記鋼材の軸方向に移動するように、部分的にＡｃ３変態点以上の温度に急速加熱する加熱工程と、
   前記鋼材に生じる高温部が局所的になるように、前記加熱工程により加熱する位置に近接する位置を冷却して焼入れする焼入れ工程と、
   前記加熱工程と前記焼入れ工程により発生した鋼材の軸方向に移動する局所的な高温部に曲げモーメントを加えて前記高温部を曲げ変形する変形工程と、
   を備える焼入れ鋼材の製造方法。
2. 鋼材を加熱炉内で加熱して鋼材の表面に酸化被膜を生成する酸化被膜生成工程と、
   前記酸化被膜生成工程によって表面に酸化被膜が生成された鋼材を、加熱する位置が前記鋼材の軸方向に移動するように、部分的にＡｃ３変態点以上の温度に急速加熱する加熱工程と、
   前記鋼材に生じる高温部が局所的になるように、前記加熱工程により加熱する位置に近接する位置を冷却して焼入れする焼入れ工程と、
   前記加熱工程と前記焼入れ工程により発生した鋼材の軸方向に移動する局所的な高温部に曲げモーメントを加えて前記高温部を曲げ変形する変形工程と、
   を備える焼入れ鋼材の製造方法。
3. 溶接鋼管である鋼材を加熱して鋼材の表面に酸化被膜を生成する酸化被膜生成工程と、
   前記酸化被膜生成工程によって表面に酸化被膜が生成された鋼材を、加熱する位置が前記鋼材の軸方向に移動するように、部分的にＡｃ３変態点以上の温度に急速加熱する加熱工程と、
   前記鋼材に生じる高温部が局所的になるように、前記加熱工程により加熱する位置に近接する位置を冷却して焼入れする焼入れ工程と、
   前記加熱工程と前記焼入れ工程により発生した鋼材の軸方向に移動する局所的な高温部に曲げモーメントを加えて前記高温部を曲げ変形する変形工程と、
   を備える焼入れ鋼材の製造方法。
4. 前記酸化被膜生成工程で生成する酸化被膜の厚さが３６μｍ以上である請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の焼入れ鋼材の製造方法。
5. 前記加熱工程における前記Ａｃ３変態点以上の温度は、９００〜１０３０℃である、
   請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の焼入れ鋼材の製造方法。