JPS58189328A - そのまま使用可能な合金鋼棒の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は圧延後に金属の棒材を熱処理する方法に関し、
より詳細には特に機械構造物用の棒鋼であって焼入れ組
織（ベイナイト、マルテンサイト）のものを直接に製造
する方法に関する。

現在の鉄鋼業は焼なまし状態の綱に匹敵する機械加工性
を備えた焼入れ焼戻しの合金鋼を供給している。従って
、最終使用状態の特性を備えた棒鋼からある種の部品を
直接機械加工することができるならば極めて有利である
。即ち、素材の機械加工のために焼なまし加工を行い、
使用目的のために焼入れ焼戻し処理を行い、或いは精度
調整のために再び機械加工を行う等の処理を省略できる
からである。　　・ これは製造サイクルを単純化し、熱処理の経費を削減し
、工程を短縮することになる。

更に、圧延時の熱を利用することによって棒鋼の焼入れ
を行い、従来のオーステナイト化処理を省略することが
できる。圧延の末期に得られるオーステナイト状態では
、添加元素のより完全な溶融状態が得られ、所望の焼入
れ性に適したオーステナイトの粒度が得られ、オーステ
ナイトがｒ→α変態時に機械加工を受けるので従来のオ
ーステナイト化処理よりも有利である。

このような棒鋼の熱処理が現在まで行われていないのは
圧延時の冷却を制御するのが困難だからである。先ず機
械業界では中間硬度の大径（５０−１５０ｍｍ）の棒鋼
が特に重要であることを知るべきである。この棒鋼は１
００ＯＮ　７１１ｍ：′のオーダーの強度を中心部で得
られる材料である。このような大径の棒材の中心に焼入
れ組織を得るには比較的焼入れ性の高いｌＩ（例えば４
２ＣＤ４　）で焼入れ速度を早（して処理を行う必要が
ある。この際処理時間は制限されず、棒材の直径及び焼
入れ性を考慮して最もゆるやかな焼入れを行うとしても
、焼割れの起こる危険がある。

圧延の直後に移動中の棒材を焼入れする場合は更に複雑
である。事情な棒材に実現できる最大の熱交換係数はＩ
ＯＷ　／　ｒｄ　・’Ｃ（１０’Ｋｃａｌ／　ｎｆ、ｈ
、　℃）のオーダーであり、この係数の焼入れ媒体を用
いたとしても、直径６０ｍの棒鋼の平均温度が９００　
’Ｃから４００℃に下降するには約２０秒必要である。

即ち半径Ｒの棒鋼の断面の平均温度は次式によって式中
θ（ｒ）は軸から距離（ｒ）の位置の温度を示す。

これらの棒鋼の圧延速度は一般に数ｍ／秒であるので、
中心部にマルテンサイトを得るには非常な長さの焼入れ
装置が必要となる。他方水浴による直接焼入れを大径の
棒鋼で行うと十分な焼入れ速度が得られず、棒鋼が曲が
り（処理の非対称性による）、或いは焼割れ（初めに周
縁部に脆弱なマルテンサイトが形成され、後に中心部の
変態が起こり膨張するためにマルテンサイト層に張力が
かかるため）が起こる危険がある。

本発明はそのまま使用可能な大径の合金棒鋼の全断面に
曲がりや割れを生じさせることなく焼入れ組織を得るこ
とを目的とする。

本発明に従うと、特に機械構造物用にそのまま使用可能
な合金鋼棒の熱処理方法であって、次の連続した３段階
の焼入れ、 ａ）圧延直後に移動中の棒材を熱交換係数が１♂Ｗ／　
１・℃のオーダーの強制冷却をして該棒材の断面の平均
温度を６００〜５５０℃まで急速に降下せしめ、 ｂ）次いで空中で放冷して該棒材の断面に約５５０℃の
ほぼ等温度の状態にし、 Ｃ）次いで、段階ａ）での冷却よりゆるやかな強制冷却
を該棒材に施して、該棒材のベイナイト変態の機構に匹
敵する時間で該棒材の中心部の温度を約３００℃以下に
下降せしめる、 を該棒材の熱間圧延工程中に施すことからなることを特
徴とする上記熱処理方法が提供される。

更に本発明に従うと、段階ａ）の強制冷却を行うために
、移動中の棒材が横断する１または複数の水冷函から成
り、材料と平行に水が流れるように構成された装置が提
供される。

本発明の好ましい態様に従う装置は、段階Ｃ〉のよりゆ
るやかな強制冷却を行うために往復運動を行う水噴射手
段又は水ないしは油のプールを備える。

更に本発明の好ましい態様に従う装置は、走行ピッチ（
ｐａｓ　　ｄｅ　ｐｅｌｅｒｉｎ　）で移動する空冷装
置であって、その上を互いに平行に配列された棒材が移
動するよう構成された冷却装置を備える。

これらの連続する３つの段階の処理を添付の図面を参照
しながら詳細に説明する。

第１の段階ａ）は次の２つの目的を有する。

−マルテンサイトの環状表面層を形成すること、−棒材
の断面のその他の部分にパーライトが形成されることを
阻止すること、 添付の第１図は本発明の技術分野を理解させるためのも
のであって、準安定オーステナイトである領域ｌからの
γ→α変態によって得られる金属組織を冷却の態様に従
って温度一時間のグラフ上に示すものである。急冷の場
合には、材料の温度が鋼のＭｓ点（図示冷では３１０℃
）以下になるとマルテンサイト２が瞬間的に形成される
。逆に、よりゆるやかな冷却では、６００℃以上の温度
でフェライト３及びパーライト４が形成される。中間速
庫の冷却では、ベイナイト５と、冷却が末期で加速され
るにつれてそれに応じた量のマルテンサイトが形成され
る。

一般的に焼戻しマルテンサイトは焼戻しベイナイトより
も同一強度では靭性が優れている。もし装置に最終の焼
戻しステーションが備っているならば、より優れた機械
的特性と断面の金属組織の均質性を改善するために、可
能な限り低温度でて形成される組織で断面の大部分が占
められるように努力する。冷却サイクルを選択する指標
として、第１図の如き変態図は幾つかの制限を示唆する
。

まず、γ＝αの変態が起こる鋼のＡ３点（図示例では８
００℃）以上の冷却サイクルは最終組織に余り影響を及
ぼさない。従って、この温度以下の範囲での熱処理サイ
クルを考慮すべきである。　更に微妙な点は、連続して
冷却した場合にのみ変態図によって変態条件を決定でき
ることである。従って、本発明のように複雑な熱処理サ
イクルの場合に状態図を用いて最終組織を判断すること
はできない。従って、急冷を間欠的に行った場合には、
表面層はＭｓ点以下に急速に降下し、次いで焼入れの末
期には断面全体の平均温度の水準まで回復する。逆に、
棒材の中心部は急冷装置の入口以後で温度降下を始め、
急冷の末期になってのみ平均温度にゆっくりと達する。

しかしながら第１図の如き状態図は次の示唆を与える。

もし断面のあらゆる部分が８００〜６５０℃を少な（と
も１５０秒で通過するならば、フェライト−パーライト
が形成されることはない。更に、パーライト形成温度（
６００℃以上）とベイナイト成形温度（５５０℃以下）
との間のの範囲では、オーステナイトの著しい変態が起
こることなく、棒材が５７５℃に自然に均−温度になる
ことができる。更に、第１図に示す場合、ベイナイトか
らより好ましいマルテンサイトへの変態を進めるには５
５０℃と３００℃との間で少なくとも３℃／秒インナー
カバー以上の冷却速度が必要である。

棒鋼の第１段階の冷却の上述の２つの目的について再び
説明すると、次の通りである。

冷却が急激であり、棒鋼の直径が大きくなるほど、表面
のマルテンサイトの厚さが大きくなる。

例えば、直径がφ−６０報の棒鋼では、１ｏ’ｗ／ｒｒ
ｒ・℃の熱交換係数の冷却によってφ／１２＝５ｍの厚
さのマルテンサイト層が形成される。

−第１図の状態図に相当する鋼種４２ＣＤ４では圧延後
の直径が１５０鶴までの棒鋼を１０′ｗ／１１？・℃の
オ−ダーの熱交換係数の急冷をしてもパーライトが形成
するのを回避できる。直径が６０ｍ、１００　ｆｉ、１
５０鶴の棒鋼を９００℃から平均温度６００℃まで冷却
するのに要する時間はそれぞれ７．５秒、１７秒、３５
秒であり、これは十分に実施可能な長さの処理装置で行
いうる。更に、棒鋼の直径が大きくなるに従って、冷却
の熱交換係数を大きくし、鋼の焼入れ性を高くする必要
がある（マンガン、モリブデン、ホウ素の添加により）
ことを注目すべきである。

第２段階、すなわち本発明の方法の段階ｂ）に於いて、
棒鋼を約５５０℃に空気中で自然に均熱化する処理は一
般に１〜２分であって、これによって次が可能となる。

一棒鋼の中心部では、著しいパーライト又はベイナイト
への変態が生ぜずに６００℃以下となる、−マルテンサ
イトの表面環状層では、５００℃以下への秒のオーダー
の自動焼戻しにより靭性が向上する。

上述の４２ＣＤ４よりも焼入れ性の弱い特定の鋼種では
、この第２段階の処理に於いて、約６２５〜６５０℃で
可成りの量の微細パーライトを形成することができる。

この微細パーライトは、特にその微細な析出によって硬
化しているので、ある種の用途に適した機械的特性を有
し、最終の焼戻しをせずに使用できる利点がある。焼入
れ、焼戻し組織を必要とする用途よりも制限のゆるやか
なこれらの用途に対しては、第２段階の放冷を雰囲気温
度まで延長して、段階Ｃを省略する。

′第３段階の処理、段階Ｃ）では、前段の均熱処理の後
に、中心部で本質的にマルテンサイトの組織を得ようと
するならば、関連する鋼のベイナイト変態の動力学（ｃ
ｉｎ≦ｔｉｑｕｅ　）に匹敵する時間内で中心部の温度
を３００℃以下に降下させるような第２の強制冷却を行
う。実際のところ、下部ベイナイト（Ｍｓ点より若干高
い温度で形成される）は焼戻し状態でマルテンサイトと
匹敵する機械的特性を有するが、５５０℃と４００℃と
の間の冷却を加速するだけで十分である。特に焼入れ性
の高い鋼種及び／又は小径のものは放冷又は若干の加速
冷却で十分である。例えば第１図に示した鋼種４２ＣＤ
４の場合、５５０℃と３００℃との間を４又は５℃／秒
以上の速度で冷却すると棒鋼の中心部に本質的にマルテ
ンサイトからなる組織が得られる。

すべての場合に於いて、第１段階でマルテンサイトの表
面環状層として形成され、第２段階で自動焼戻しを受け
た層は、第３段階の強制冷却で次の役割を果たす。

４後のより深部のマルテンサイト変態の際に割れが生ず
るのを防止する、 −この層は環状の“コルセット”の如き役割を果たｆの
で冷却の非対称性により棒鋼が曲がるのを防止する、 これら２つの役割によって、第３段階の冷却では、第１
段階の冷却で要求されるよりもゆるやかな冷却の回転対
称性の基準の設備で実施してもよい。

上述の本発明の方法を実施するための装置は次のものを
備えるのが好ましい。

４第１段階：フランス特許出願第７９１４３８３号に記
載の如き型式の、熱効率の高い、定水量型の少なくとも
１基の水流函であって、この内部を移動する材料はその
速度と同一方向の速度で流れる水の面で包囲される。こ
の水面を同等の冷却効率の水噴霧手段と置換えてもよい
。

第２段階＝１又は平行な複数の棒材を１〜２分の間自然
再等温化させるような走行ピンチを有する冷却装置又は
冷却床（ｒｅｆｒｏｉｄｉｓｓｏｔｒ　）、−第３段階
：直前の冷却装置の第２の部分上に設けられた水噴霧の
振動ノズル群（ｒａｍｐｅｓ）の装置、或いは上記冷却
装置から供給される棒鋼の水又は油のプールでこれらの
棒鋼を連続的に取出すことが可能なもの（例えば傾斜面
を備えている）、上述の装置の機能の態様は冷却の各段
階、処理すべき棒鋼の直径、圧延機出口速度、棒鋼の鋼
種の焼入れ性及び棒鋼の中心部に所望とする組織によっ
て変わる。

従って、第１段階の冷却に於いては、１０’Ｗ／ＩＴ１
℃のオーダーの熱交換係数に対して必要な冷却時間は棒
鋼の直径によって変化する。圧延機出口速度及び圧延の
仕上げ温度を知ると、必要とする冷却の長さを求めるこ
とができる。

第２段階の処理では、棒鋼の中心部をパーライトに変態
させながら周縁部の層を自動焼戻しさせるか、或いは鋼
種及び直径に応じて中心部の変態を最大限阻止するかを
追及する。

第３段階では、本質的にマルテンサイトからなる組織が
所望ならば、棒鋼の直径が大きくなり、上部ベイナイト
への変態の機構（ｃｉｎｅｔｉｑｕｅｓ）が急速になる
（対象とする鋼の６００℃〜３００℃の焼入れ性が重要
である）につれて、冷却のモードはより厳しいものとな
る。既に詳述の如く、この段階の冷却を２５０℃（中心
部の温度で）以下まで続けることは余り重要ではない。

１例では、棒鋼の移動速度及び鋼種の焼入れ性に応じて
、次のように断面の平均温度が変化した：約９００℃の
仕上げ圧延、第１の水面を通過して９００℃から６００
℃に冷却、１〜２分の放冷、第２の水面を通過して６０
０℃から４００乃至３００℃となり、最終の焼戻しとな
る。　他の例では、中心部のパーライト組織が認められ
、第２および第３段階は通常の冷却床で空気放冷した。

本発明の他の特徴及び効果は添付の第２図、第３図、第
４図及び第５図を参照する以下の説明より明らかとなろ
う。

第２図では、圧延機２１の最終スタンドを出た棒＆Ｉ２
０はフランス特許出１１７９／１４３８３号に記載の型
式の水流が循環する１又は２の函２２内を走行する。

棒鋼はエクストラクタ２３によって一定速度で抽き出さ
れ、ブレーキロール群２４上で停止するよう減速される
。揺動装置２５によって可動縦材を備える冷却床２９上
に棒鋼を配置し、棒鋼の並進及び回転を確実にする“走
行ステップ”の移動を行わせる。

冷却床２９は３つの区域２６．２７及び２８ａからなる
。

区域２６は本発明の段階ｂ）の自然冷却に対応する。

区域２７は区域２８ａによって行われる強制冷却後の棒
鋼の自然冷却に対応するが、区域２７で最終の焼戻しを
開始してもよい。区域２８ａは本発明の段階Ｃ）の強制
冷却に対応する。この実施例では、Ｃ）の強制冷却は棒
鋼と平行で、処理が棒鋼の長さに沿って均一となるよう
に十分な往復運動をする水噴射ノズルによって行われる
。

第３図は、段階Ｃ）の冷却以外は第２図と同一である。

本実施例では段階Ｃ）の強制冷却は水又は油のプールに
棒鋼を漸次浸漬することによって区域２８ｂ）で行う。

このプールは傾斜面（図示せず）を備えて棒鋼を漸次導
入、抽出するのが好ましい。

第３図に示す装置によって直径６０鶴の棒鋼の中心部を
強度１０００　Ｎ　／　ｔＸ、シャルヒー靭性Ｖを６０
Ｊ／ｃ１１に鋼種４２ＣＤ４を用いて処理することがで
きる。

！４４図は、鋼種４２ＣＤ４の棒鋼の中心部であって、
γ−αの変態の状態を温度一時間のダイヤグラムで示し
、曲線４１は６０ｍｍの直径、曲線４２は１００　ｍの
直径、曲線４３は１５０ｆｉの直径の場合をそれぞれ示
す。これらの冷却は次の場合に該当する。

一本発明に従い、（段階ａ）で）　９００　’ｔ：から
６００℃を各棒鋼の平均温度が急速に通過するように、
１ｒ！ｗ／ｒｒｒ・℃のオーダーの平均熱交換係数の水
流函を棒鋼が通過する。

−次いで、（段階ｂ）で）雰囲気温度まで空気中で自然
冷却する。この場合、段階Ｃ）の強制冷却は省略した。

第４図には次の事項が示されている。

−８００℃（コノ鋼の＾３点）からの熱量イクル４１．
４２．４３、　　　　　　・・ −曲線４４はオーステナイト変態の開始を示す。

−曲線４５はＴ−αの変態の２５％に対応する。

−曲線４６は５０％の変態に対応する。

−曲線４７は７５％の変態に対応する。

−曲線４８は変態の終了に対応する。

第５図は第４図とＩｔ（Ｉｌのものであるが、この図で
示す処理では熱交換係数がｘｔｆｗ／ｒａ・℃の本発明
の第３番目の冷却（段階Ｃ）を行った。

第４図と第５図を比較すると、第３番目の冷却を加速す
ることによって３種の直径の棒鋼の中心部に３００℃以
下で形成される組織（マルテンサイト）が５０％以上と
なることが解る。

第４図に示す直径６０ｍｍの棒鋼では、ベイナイト変態
は中心からφ／１５二４鶴の範囲で実現し、環状周縁部
は自己焼戻しマルテンサイトからなる。

この棒鋼に５００℃で１時間の焼戻しを行うことによっ
て、約１００ＯＮ／−の機械的強度が全断面でほぼ均一
に実現される。しかしながら、棒鋼の中心部のシャルピ
ーＶ値は雰囲気温度で４０Ｊ／−にすぎなかった。

前回と同一の第１の強制冷却と、６００−５５０℃への
１分間の自然冷却に対応する段階ｂ）と、１０３Ｗ／ｎ
ｆ・℃のオーダーの平均熱交換係数で特徴づけられる１
００℃までの冷却に対応する段階Ｃ）とからなる本発明
に従う完壁な処理を選ぶと、直径６０簡の棒鋼の中心部
の冷却は第５図の曲線４１に従う。このとき棒鋼の全断
面にわたつてマルテンサイト変態が得られる（かなり効
率の悪くなる油焼入れを最後にすると中心部は７０％の
マルテンサイトとなる）。１００及び１５０　ｎの直径
の棒鋼では、中心部でほぼ４分の３の変態が４００℃以
下で起こり、約５０％のマルテンサイトが得られる。す
べての場合に於いて、６００℃で１時間の焼戻しによっ
て約１００ＯＮ／−の強度と６０Ｊ／−以上の雰囲気温
度でのシャルピーＶ値が得られる。

上述の実施例より明らかなとおり、本発明の方法では棒
鋼の直径及び所望の機械的特性に応じて熱処理を柔軟に
変更することが可能である。更に、“パーライトの鼻部
”　（γ−α変態が６００℃まで潜伏する期間）を有し
且つ上部ベイナイト領域での変態がゆるやかな経済的な
鋼種（例えばＭｎ−Ｂ綱等）を用いて、高価な添加元素
を最大限節約することができる。

更に本発明の方法では低仕上温度（約８５０℃）の圧延
を利用することができ、この場合、γ→α変態の際に変
形し、未再結晶していないオーステナイトを利用できる
ので好都合である。この変形オーステナイトの結晶欠陥
は、オーステナイトの回復が困難となるように急冷する
と、微細な焼入れ組織となるので興味深い。

【図面の簡単な説明】

第１図は、機械構造用鋼４２ＣＤ４　　（Ｃ：　０．４
２％、Ｍｎ　：　０．７％、Ｃｒ　：　１％、Ｍｏ　：
　０．２０％）を８５０〜９００℃に加熱して粒度が２
０μ−のオーステナイト組織にしたものを連続冷却した
ときの変態の状態を示すグラフである。 第２図は本発明の１実施例に従う装置の概略図である。 第３図は本発明の他の実施例に従う装置の概略図である
。 第４図は本発明の簡略な方の処理により鋼種４２ＣＤ４
で３種の直径の棒鋼を処理したときの変態状態を示すグ
ラフである。 第５図は本発明の完全な方の処理により鋼種４２ＣＤ４
で３種の直径の棒鋼を処理したときの変態状態を示すグ
ラフである。 （主な参照番号） ｌ：準安定オーステナイト領域、 ２：マルテン毎イト領域、 ３：フェライト領域、　　　４：パーライト領域、５：
ペイナイト領域、　　２０：棒鋼、２１：圧延機仕上ス
タンド、 ２２：水面、　　　　　　　２９；冷却床、４１：直径
６０ｍのときの冷却サイクル、４２：直径１００簡のと
きの冷却サイクル、４３：直径１５０　ｆｉのときの冷
却サイクル、４４ニオ−ステナイトの変態開始、 ４５　：　２５％のＴ−α変態、 ４６　：　５０％のγ→α変態、 ４７　：　７５％のＴ→α変態、 ４８：γ−α変態の終了、 出願人　アンスチチュ　ドウ　ルシェルシュ　ドラ　シ
デルルジー　フランセーズ 代理人　弁理士　新居　正彦 手続補正書動式） 昭和５８年６月８日 特許庁長官　殿 １、事件の表示　　　昭和５８年特許願第３５２１６号
２、発明の名称　　　そのまま使用可能な合金横棒の熱
処理方法と装置 ３、補正をする者 事件との関係　出願人 住所　　　　フランス国 サンジェルマン−１ンーレ セデックス　７８１０５ リュ　ブレジダン　ルーズベルｌ−，１８５氏名（名称
）アンスチチュ　ドウ　ルシェルシュ　ド　ラシデルル
ジー　フランセーズ 代表者　　　エル、ワンタボリ 国籍　　　　フランス国 ４、代理人 住所　　　　■１０２東京都千代田区麹町３−３６、補
正の対象　　　明細書 ７、補正の内容　　　浄書した明細書を提出する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＋１１特に機械構造物用にそのまま使用可能な合金鋼棒
   の熱処理方法であって、次の連続した３段階の焼入れ、 ａ）圧延直後に移動中の棒材を熱交換係数がＩＯＷ／ｄ
   ・℃のオーダーの強制冷却をして該棒材の断面の平均温
   度を６００〜５５０℃まで急速に降下せしめ、ｂ）次い
   で空中で放冷して該棒材の断面に約５５０℃のほぼ等温
   度の状態にし、 Ｃ）次いで、段階ａ）での冷却よりゆるやかな強制冷却
   を該棒材に施して、該棒材のベイナイト変態の機構に匹
   敵する時間で該棒材の中心部の温度を約３００℃以下に
   下降せしめる、を該棒材の熱間圧延工程中に施すことか
   らなることを特徴とする上記熱処理方法。 （２）該鋼材の中心部の同素変態が段階ａ）及びｂ）で
   微細パーライトに行われ、段階ｂ）での空中放冷を雰囲
   気温度まで延長して行い、段階Ｃ）を行わないことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の熱処理方法。 （３）段階ａ）の強制冷却を圧延された棒材の直径に従
   って、少なくとも１つの水面（２２）内に棒材を横断せ
   しめて行い、該棒材は該面内で該棒材と同一直線方向に
   流れる水流に取囲まれるようにして行うことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の方法を実施
   する装置。 （４）段階ａ）の強制冷却を走行中の棒材に水を噴霧す
   ることによって行い、この水噴霧は５×１＾／ｄ・℃以
   下の平均熱交換率で行われることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項又は第２項に記載の方法を実施する装置。 （５）段階ｂ）及びＣ）の冷却は、“走行ピンチ”を有
   する規則的な並進とその周りに該棒材がゆるやかに回転
   する可動縦材を備えた冷却装置によって行い、該冷却装
   置は強制冷却手段を備えることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の方法を実施する装置。 （６）該強制冷却手段は水噴霧手段によって構成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の装
   置。 （７）該水噴霧手段は、冷却すべき棒材の軸と平行な往
   復運動を行うことを特徴とする特許請求の範囲第６項に
   記載の装置。 （８）該強制冷却手段は水又は油のプールで構成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の装
   置。 （９）該プールは冷却すべき棒材の導入及び抽出を漸次
   行うための２つの傾斜面を備えることを特徴とする特許
   請求の範囲第８項に記載の装置。 α〔該冷却装置の後方に配置された焼戻しステーション
   を備えることを特徴とする特許請求の範囲第５項乃至第
   ９項のいずれかに記載の装置。