JPS6010095B2 - 鋼材の熱処理法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、鋼材に均一かつ良好な材質を与えるための
新しい熱処理方法に関するものである。

この発明は、Ｃを０．０５％以上含み、合金元素の含有
量（Ｃを含む）が、不可避的不純物との合計で２％以下
であるような鋼材に適用して効果があるが、殊にＣの量
が０．３〜１．２％で、その他の合金元素との合計量が
２％以下であるような所謂硬鋼線材の、圧延後の直接熱
処理に適用して特に効果があるので、以下、この場合を
中心に本発明を説明する。硬鋼線は、一般に熱間圧延材
をさらに冷間で伸綾してワイヤロープ等の素材とするが
、袷間伸線性を向上させ、また袷間伸線後の硬度を高め
るために、一般に、伸線前に鉛パテンティング（ＬＰ）
を呼ばれる熱処理を行なう。

この熱処理は、熱間圧延線材を８５０ｏｏ以上に加熱し
てオーステナィト化して、直ちに、５００〜６００℃に
保温した鉛浴中に浸潰させる処理であって、この熱処理
によって５００〜６００００間で主として微細パーラィ
ト組織に変態せしめんとするものである。

このＬＦ処理によって得られる組織と同等の組織（材質
）を、熱間圧延後の直接熱処理によって得ることができ
れば、プロセスの簡略化、公害防止の観点から工業上大
きな利益があるから、種々の直接熱処理に関する提案が
なされているけれども、未だＬＰ処理によって得られる
組織と同等の組織を得るに至っていない。

熱間圧延後、オンラインでは鉛等の恒温浴に浸債するこ
とは困難なので、従来、強制風冷や水冷により熱間圧延
後の線材を連続的に冷却し、その過程で変態せしめる方
法が行なわれているがこの方法では上に述べた課題は達
成できなかった。

その理由を以下に考察する。第１図は、代表的な硬鋼線
の連続冷却曲線（ＣＣＴ曲線）図である。

また、第２図は対応する連続冷却後の、硬鋼線の強度を
示したものである。

これらの図から、等速冷却の場合、ＬＰ処理なみの材質
を得るには、第１図に示すＶｍｉｎ〜Ｖｍａｘの範囲の
冷却速度で冷却すればよいことがわかる。

しかし実際の線材製造フ。

。セスでは、第１図において、曲線Ａ，Ｂによる実例を
示すように、線材断面表層部（Ａ曲線）と中心部（Ｂ曲
線）ではかなり冷却速度が異なるので、全体としての平
均の冷却速度（Ｃ曲線）も断面最表層部の冷却速度も、
何れも前記Ｖｍｉｎ〜Ｖ肌の範囲内の冷却速度で冷却す
ることは困難である。（後者の条件は、たとえ一部でも
マルテンサィトが出れば材質的欠陥となるからである。
）この発明は前述のような困難を克服する方法を得るた
めになされたものであって、その基本的な技術思想は、
線材断面最表層部と内部を別々の時期に変態させること
にある。

一般に、スプレィ水冷却の場合のように、かなり大きな
熱伝達能力を持つ冷煤で、断面表層部から冷却を行なっ
たとき、断面表層部と中心部では、第１図の冷却曲線の
例に示すように、かなり大きな温度差がつく。

この発明では、この温度差を利用することにより線材断
面中心部では変態を起させず、表層部のみを所要以上の
冷却速度を以つて変態点以下に冷却し、そこで冷却を中
断し、自然の復熱または、必要に応じ再加熱または保熱
を行なって全体の温度差をほぼ均一とする一連の過程で
、線材断面表層部のみを限定して変態せしめ、然る後Ｌ
新たな冷却操作により、残されたオーステナィト状態の
部分をさらに所要の冷却速度で冷却して変態せしめるこ
とにより、断面最表層部から内部まで所要の組織とせん
とするものである。

前段の冷却操作は、線材の蓬によっては２回以上行はう
ことが適当な場合もある。

以下に、硬鋼線材の場合について、具体的な冷却操作の
条件を第３図を用いて述べる。

先ず、最初の冷却操作については、断面最表層部ａが最
も低温となるので、この部分がマルテンサィト変態開始
温度（Ｍｓ点）以下にならないことが必要である。

断面最表層部の最低点が、ＣＣＴ曲線の変態開始点を一
致する部分ｂまでがＬこの冷却操作で変態するわけであ
るが、このａ〜ｂの部分の平均冷却速度は第１図に示す
Ｖｍ：ｎ以上でなければならないのは勿論である。ただ
しこの場合で第１図で説明した場合と異なり、冷却速度
の上限は定める必要がない。かりに、断面最表層部ａが
第１図に示すＶｍ狐以上の冷却速度になってもＭｓ点を
切らない限りマルテンサィト組織ができることはなく「
残ったオーステナィトの部分の変態は、以下に述べるよ
うに復熱時に進行する。実際このような大きな温度差（
共折鋼の場合でも８０００以上；亜または過共析鋼では
それ以上）が生ずるためには、断面中心部で大体１００
℃／Ｓ以上の冷却速度が必要であり、通常の銅ではトＶ
ｍａｘ以上になる場合が多い。

線材断面最表層部ａがＭｓ点以下の温度にならないよう
冷却操作を中断すると、直ちに表層部に近い部分は復熱
により昇温する。

このとき、本発明の適用鋼においては、線材断面のｂよ
り外周に近い部分は冷却中に未変態オーステナィト部が
あってもこの昇温時に変態させることができる。この理
由は、第４図を見れば明らかである。この図は、第１図
と同一鋼で求めた垣温変態曲線図（ＴＴＴ曲線）であり
、これはオーステナィト状態から第軍図のＶｅｒ以上の
冷却速度で所定の温度まで急冷後、そこで保定を行なっ
たときの変態挙動であり、復熱時の熱履歴に近いので変
態挙動をこれで説明する。この場合は変態は第１図に比
べて変態時間は「（ＴＴＴ曲線）の鼻附近（硬鋼線材で
は６００℃前後）では１／１晩屋度であり冷却途中で変
態が終了しなくても、一般に復熱に要する０．２〜３秒
間程度の短かし、時間で、望ましい変態温度城で変態せ
しめることができる。ただし、場合によって人為的に保
熱・昇熱によって確実に変態終了を期すことが有効なこ
ともある。

このようにして第１回の冷却とその後の断面表層部の復
熱により、第３図に示すイの場合のように線村断面のｂ
点より外側の円周部を望ましい組織へと完全に変態せし
めることができる。第３図において、第２回の冷却操作
についての条件は第１回のそれと同様であるが、第３図
に示す口の場合では第１回の冷却操作で、線材断面最表
層部ａに相当するのが、口に示すｂの位置で、ｂよりも
外周側の既変態部については何の条件も必要でないこと
に注意したい。第１回の冷却操作における線材断面のｂ
に相当する位置は第２回の冷却操作（第３図口）ではｃ
の位置であり、ｂ〜ｃの間の部分が変態することになる
。

第３回、即ち最終の冷却操作については前２回と事情が
異なる。第３図ハに第３回の部分として示す断面部分に
ついては、既に内部での温度差がなく、殆んど均一な冷
却速度で冷却できるので第１図に示すＶｍ似〜Ｖｍｉｎ
の間の冷却速度で冷却して、目標とする組織を得ること
が可能である。第３回の冷却操作は、第１〜第２回の冷
却操作と同様な冷却条件を探ることもできるけれども、
この場合は変態熱を除いては大きな復熱を期待できない
ので、一般的には人為的な保熱または昇熱によりＬＰ処
理におけるような恒温保定に近い冷却曲線をとらせる必
要がある。以上の説明で明らかな如く、本発明の要旨は
、線材断面の表層部に近い部分を主として、強冷時に生
ずる断面表層部と内部との温度差に起因する復熱を利用
して変態せしめることにあるので、変態は等温で進行す
るフェライト、パーラィト、ベィナィトの何れにも適用
できるが、合金元素を多量に含む鋼では変態が遅くなり
、復熱時間の間に変態せしめることが困難となるので合
金元素量は、合計で２％以下とした。

またＣ含有量があまりにも低いと初析フェライトが早く
起り、所要の変態温度で変態させることが一般に困難で
あるのでＣ量は０．０５％以上とした。断面表層部の冷
却温度範囲は上限が、ＴＴＴ曲線の鼻以下（硬鋼線材で
は約６００ｑｏ）であれば、主として復熱による昇熱で
変態を完了せしめ鶴る。

また磯鋼線の場合は、下限をＭｓ点以上に限定すべきで
あることは、上述の説明から明らかであろう。さらに、
変態を十分終了させるためには、冷却を中断する（若し
くはさらに保熱または加熱する）時間は、第４図から明
らかな如く、３秒間程度以上あれば十分である。鋼材の
断面の大きさについては断面積があまりに小さければ内
外面の温度差が小さく、本発明の熱処理法の適用が困難
であり、またその必要もないが、その下限は、対象鋼材
の断面形状によって異なるから一概には定め難い。

たとえば長い円筒形、つまり線材の場合は直径が４側程
度以上の場合に効果がある。本発明は、以上述べた通り
構成されるものであるが、以下に実施例を、この発明の
効果と併せ説明する。

実施例 １ Ｃ：０．６２％，Ｓｉ；０．２３％，Ｍｎ；０．４４％
を含みその他少量の不可避的不純物、残部Ｆｅよりなる
鋼を熱間圧延機で５．５側０に圧延した最尺の線材を供
試材とし、これを長さ３０仇岬こ切断し、約８５０００
に保定した電気炉で、約１０分間加熱し取出してから直
ちに強いスプレィ水冷を０．６８秒間行ない、これを停
止してから約４．９砂、間経過して、弱いスプレィ水冷
を開始し約５秒間これを行なった。

この線村には予め、その断面中心と中心から半径方向に
１．５側離れた位置に熱電対の側温端子を埋込み、また
表面に熱電対漁り温端子を落着しておいた。線材断面各
所での冷却曲線を測定した結果を第５図イに、断面の対
応する位置の硬度の測定、組織観察を行なった結果を第
５図口に示す。

第１回の強いスプレィ水冷では、断面表層部ａは８００
００／ｓという早い水冷速度で、中心部との温度差は４
００００に達する。

このとき変態は、冷却曲線の曲りから推定されるように
（片括弧で示す場所）復熱中に５００〜５４０ｑｏと５
５０〜６００ｑｏの範囲で変態が起っており、第２回の
冷却中にはもう変態は起っていない。断面のｂの位置で
は、冷却中断中と、５６０〜６００℃の間で復熱に変態
発熱が重なって、ほぼ陣温保定に近い曲線になっている
。

ａ，ｂ何れの部分でも、第２回の冷却では変態は起って
いないようである。

断面のｃの位置では「第１回の冷却では変態が起ってい
ないようで、第２回の冷却ではじめて変態発熱が見られ
る。

以上の各園暦にほぼ対応する場所の硬度はお互に殆んと
一致しており、また組織も殆んど差がなく微細なパーラ
ィト組織である。

この発明になる熱処理を行なった線材の引張試験を行な
った結果を第１表に示くＡ。

第１表 引張試験結果 （５．５ののの，３本の平均） 比較のために示した同一成分の銅のＬＰ処理材Ｃに劣ら
ない引張強ごと同程度の絞り値を示している。

実施例 ２ 実施例１の場合と同一成分の鋼の８仇舷マビレツトを連
続線材圧延機により仕上温度１０４ぴ０の条件で５．５
肌◇まで熱間圧延を行ない、その直後に加圧した水を線
材の走る方向と逆方向から冷却管中に送り込み、通すこ
とにより実施例１における第１回の冷却とほぼ同様の熱
サイクルを与えるように短時間急冷を行ない、その直後
にレイングコ−ンでコンベア上にルーズコイルの形状に
倦取った。

倦取り直後の線材表面温度は６２０午０程度であった。
この状態で倦取後５秒間縫ってスプレィ水冷により綾材
断面中心部で６５０〜６２０午０の間が５０００／ｓに
なる程度の強さで約１の砂・間水袷を行なった。この線
材をＢ材とする。比較試験として、同一成分鋼を、同一
圧延条件で倦取温度を７５０００になるように水冷しト
倦取後５秒間縫ってスプレィの水量を変化させることに
より、線材断面中心部での冷却速度を６５０〜６２０ｑ
０の間を５０ｑ○／ｓおよび３ｙ○／ｓに、それぞれな
るように冷却した。

それらをそれぞれＤＩ材およびＤ２材とする。上に述べ
たＢ材ならびにＤＩ材およびＤ２材の引張試験結果を表
１に併せ示した。

Ｂ材は、ほぼ実施例１におけるＡ材と特性が一致し、Ｌ
Ｐ処理材Ｃに劣らない特性を示している。

これに比しＤＩ材はＢ材と同じ冷却速度で冷却したにも
かかわらず、絞り値が著しく不良で、強度もやや低い。
組織観察では、断面表層近くにマルテンサィト組織が観
察されたので、断面表層部の冷却速度が早すぎたことが
わかる。Ｄ２材は、このため冷却速度を落したものであ
るが、ＬＰ処理材に比し強度がかなり低い。組織観察で
は断面中心部はやや粗いパ−ライト組織になっていた。
この発明は以上述べたように構成したからＬＰ処理によ
って得られる組織と同等の組織（材質）を、熱間圧延後
の直接熱処理によって得ることができしプロセスの簡略
化、公害防止の観点から大きな効果を黍する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、硬鋼線の連続冷却曲線図、第２図は、第１図
に示した連続冷却曲線に対応する連続冷却後の硬鋼線の
強度を示す図、第３図Ａは、本発明における硬鋼線材の
熱処理での冷却操作の条件を示す図、第３図Ｂは第３図
Ａに示す条件下で熱処理された線材の断面図（同図ハに
おいて、１は第１回冷却で変態した部分〔ａ〜ｂ〕、２
は第２回冷却で変態した部分〔ｂ〜ｅ〕、３は第３回冷
却で変態した部分〔ｃより内部〕を示す）ト第４図は、
第１図における場合と同一の鋼で求めた陣温変態曲線図
、第５図は、線材断面の各位直における冷却曲線を測定
した結果を示す図で、イは冷却曲線、口は硬度と金属組
織の断面を示す図である。 多′図 努２図 多３図′４） 多３図′８） 孝子図 多づ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ：０．０５％以上と他の合金元素と不可避的不純
   物との合計で２％以下を含み、残部Ｆｅから成る鋼材を
   、本質的にオーステナイトであるような状態から出発し
   、その断面中心部がＡｒ＿３若しくはＡｒｅｍ変態点に
   達せず、しかも断面表層部がこの鋼のＴＴＴ曲線の鼻以
   下に達するよう短時間急冷した後、３秒間以上冷却を中
   断して断面表層部を復熱することにより該断面表層部を
   拡散変態せしめて断面表層部から順次拡散変態を進行さ
   せ、然る後、断面中心部を他の冷却操作により変態せし
   めて、断面において均一な変態組織を有する鋼材とする
   ことを特徴とする鋼材の熱処理法。 ２ 鋼材の断面表層部を急冷及び復熱する操作を２回以
   上行う特許請求の範囲１項記載の方法。 ３ Ｃ：０．３〜１．２％と他の合金元素と不可避的不
   純物との合計で２％以下を含み、残部Ｆｅから成る直径
   ４ｍｍ以上の線材を完全オーステナイト状態から出発し
   、その断面中心部がＡｒ＿３若しくはＡｒｅｍ変態点に
   達せず、しかも断面表層部が６００℃以下で、この鋼の
   Ｍｓ点以上の温度域内に達するように短時間急冷した後
   、３秒間以上冷却を中断して断面表層部を復熱すること
   により該断面表層部を拡散変態せしめて断面表層部から
   順次拡散変態を進行させ、然る後、断面中心部を他の冷
   却操作により変態せしめて断面において均一な変態組織
   を有する線材とすることを特徴とする鋼材の熱処理法。 ４ 鋼材の断面表層部を急冷及び復熱する操作を２回以
   上行う特許請求の範囲３記載の方法。