JPS63274721A - 線材の等温度熱処理方法 - Google Patents

線材の等温度熱処理方法

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JPS63274721A
JPS63274721A JP10624587A JP10624587A JPS63274721A JP S63274721 A JPS63274721 A JP S63274721A JP 10624587 A JP10624587 A JP 10624587A JP 10624587 A JP10624587 A JP 10624587A JP S63274721 A JPS63274721 A JP S63274721A
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JP
Japan
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wire
wire rod
temperature
heating
section
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JP10624587A
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Hironori Sato
裕紀 佐藤
Yoshiki Seto
芳樹 瀬戸
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Neturen Co Ltd
Original Assignee
Neturen Co Ltd
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  • Heat Treatment Of Strip Materials And Filament Materials (AREA)

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】 (産業上の利用分野) 本発明は線材を焼ならし、軟化焼鈍2球状化焼鈍(繰り
返し球状化焼鈍を含む)等の熱処理に付す場合、当該線
材を所定時間にわたり所定の等温度に保持するに好適な
線材熱処理方法に関する。
(従来の技術) 各種合金鋼からなる線材は、所望の金属組織とするため
、金属組織の均一化を図るため、硬さを後工程の加工が
容易な硬さに軟化させるため等の目的から、所定時間に
わたる所定等温度保持を含む熱処理に付される場合が多
い。
線材をこの種の熱処理に付す場合の従来法は、コイル材
をそのままベル型炉で加熱するバッチ式方法や、同じく
コイル材を連続炉内で移動させつつ加熱する連続式方法
であった。
(従来技術に存する問題点) 従来のバッチ式方法、連続式方法いずれであっても、炉
内雰囲気温度を線材の表面から人熱し、順次芯部まで熱
伝導させて全断面を均一加熱するので、1吋/30分と
云い慣わされている如く。
処理時間が長時間となる。特にコイル材の場合、線材は
積層・多巻回して接触あるいは非接触状態にあるがため
、表面からの入熱が不均一となるので、炉内時間を充分
にとることが要請される。
また、冷却時には上記コイル状態が均一な冷却を阻害す
るため、冷却後の線材は全断面および全長にわたり金属
組織の不整、硬さのばらつき1強度の不均一等を惹起し
がちであった。これらの現象は冷却が急冷である程、顕
著に出現した。
さらに、コイル材をそのままの状態で熱処理してしまう
ので、線材自体に疵があっても後工程の加工に付すまで
は疵の発見ができず、不測の事故や損害を惹起する虞が
あり、コイル材の品質保証が確保し難かった。
その上、長時間処理となることから、脱炭防止のため、
炉内を不活性雰囲気とするなどの設備上の煩雑さが付き
まとう。
このため、線材表面からの人熱が不均一となる点を解消
すれば、それだけ炉内時間を短縮し得、かつコイル状態
でなければ冷却の均一性が保証し得るとの発想から、イ
ンラインによる加熱が提案された。この場合、線材を走
行せしめつつ従来炉加熱と同一時間を等温度を保持しよ
うとすれば、熱処理ライン上に極めて長大なトンネル型
均熱炉を配置しなければならない、そこで、熱処理ライ
ンの極端な長大化を回避するため、例えば特開昭53−
25218号の如く1 回転ドラムを内蔵した均熱炉を
設け、当該回転ドラムに線材を複数回巻回せしめつつ走
行させるように構成して等温度保持時間を稼ごうとした
。ところが、炉内での昇温1等温保持時間と同等の均熱
を回転ドラムに巻回した線材に得しめるためには回転ド
ラムを大径ないし長尺とせねばならず、斯く構成すれば
不活性雰囲気維持を要する均熱炉全体も大形化せねばな
らず、これを回避せんとして均熱炉を小形化すれば線材
走行速度を極端に低速度とせざるを得ないので生産性が
悪化し、実用化には程遠く提案倒れに終わっていた。
他方、素材線材をインラインで熱処理して高強度鋼線と
する方法は9例えば特公昭41−13363号(特許第
493400号)の如く公知である。これを概説すれば
、走行する素材線材を誘導加熱手段で全断面焼入れ温度
まで急速加熱のうえ急冷・焼入れし、続いて誘導加熱手
段で線材全断面を所定焼戻温度まで急速加熱のうえ急冷
することにより、線材の全断面かつ全長を高強度化する
ものである。
ところが、上記の如く線材をインラインで高強度化する
技術は夙に公知とされてはいるものの、所定温度まで加
熱された線材全断面を所定時間にわたり精密に当該温度
に保持し、これにより線材を所望の金属組織や低硬さに
仕上げる確実な方策はこれまで創出されていない。
これがため、コイル材をそのまま炉加熱する従来法には
多々問題点があるものの、少なくとも線材を所定時間、
所定等温度に保持可能であるとして、この種熱処理には
従来法を依然として踏襲せざるを得ないのが現状であっ
た。
(発明の目的) 本発明は、線材を所定時間にわたり所定等温度に保持す
る熱処理に付す場合、コイル材をそのまま炉加熱する従
来法に存する問題点およびインラインでの等温度保持の
困難を解消するためになされたもので、インラインで走
行する線材の全断面を所定時間にわたり精密に所定等温
度に保持可能とし、これに伴い当該線材を全断面かつ全
長にわたり均一な所望する金属組織や低硬さに仕上げる
ことが可能、また処理時間が短縮されるので脱炭の虞を
皆無とする線材の等温度熱処理方法を提供することを目
的とする。
(発明を完成するに至る経過) 本発明者は、前記従来コイル材熱処理法に存する問題点
、ならびにインライン線材熱処理法に存する困難を解決
するにあたり、加熱・冷却上の基本に立ち返って新たな
観点から考察することを試みた。
まず、加熱について考察することとする。
炉加熱では、外部から部材表面へ人熱し、当該入熱が順
次芯部へと伝導して全断面を次第に均一温度まで昇温す
る。それ故、当然のことながら昇温過程では芯部が低温
1表面が高温という断面温度分布となる。
また、加熱コイルを用いた急速加熱では、部材自体の発
熱を促すので、炉加熱に比べ格段に所要時間が短時間と
はなるが、磁束の作用が加熱コイルの導体に近い程、即
ち部材表面に近い程大きいので、経過時間に長・短の差
はあれ、全断面均一温度を得るまでの時間における断面
温度分布は炉加熱の場合と同様である。これを第1図に
示す。
同図は所定単位時間経過順に断面温度分布を曲線A−D
で模式的に示している。
次ぎに、冷却について考察することとする。
上記加熱時における熱伝導の振舞をみると、冷却の場合
にも、熱を放出する位置が部材表面に限られていること
から、誰しもが加熱時と全く逆の温度分布をとるとの認
識を抱いている。確かに。
全断面均一温度に加熱された部材を冷却能の高い冷媒で
冷却する場合は然りと言える。
しかし乍ら、本発明者は放冷の場合も果たして同様と言
えるかについて疑問を抱き、当該疑問を究明するため、
熱移動について原点に立ち返った解析を試みた。当該解
析の過程を以下に述べることとする。
円柱(線材)における熱移動の基本式は公知の如く、式 %式%() r −・・・・・−中心からの距離(m)で表される。
而して上記式(1)において、初期条件を t−Q、   θ−f  (r) =θ。
ここで、 θo −−一最初の温度  (K) 境界条件として r=R(半径、即ち表面) での熱流密度q (/7”)を ここで、 θ■・−−−−−−−−−・−・−・周囲温度 (K)
h・・−・・・・・・−−−−−−−−−・・冷却度 
 (m−1)として上記式+21. (31および(4
)を式(1)に代入すれば、温度分布式 ただし、μmは のm番目の根であり、 ここで、Tは が得られる。
ところで、上記における冷却度りもしくは熱伝達率αは
実験的に求めなければならない。そこで、本発明者は各
種線径2wi種の線材について放冷実験を行った。その
一部を示せば、線径10mmφ。
材質30M435相当材を700℃に加熱して放冷した
場合について、計測された表面温度降下は第2図に示す
通りであった。
一方、公知大獄から温度700〜100℃間における鉄
系合金の熱拡散率aと熱伝導率λとの平均値を求めたと
ころ、 a=9.2xlo  m27s λ−40W/mk を得た。
他方、Gross mannチャートによれば、空気の
冷却度りは静止状態で0.8、また強い攪拌状態で2と
しており、走行する線材の場合には1前後と想定される
そこで、本発明者は上記放冷実験における各種線径の線
材についての表面温度降下測定値、上記熱拡散率aと熱
伝導率λとの平均値および上記空気の冷却度h=1を前
掲温度分布式(5)に投入し、コンピュータにより放冷
開始後の所定時間経過時点ごとの線材断面における温度
分布を解析した。
その解析結果の一部を第3図(a)〜(d)により紹介
する。尚、放冷実験に付された線材は材質が30M43
5相当材で、同図の(a) 〜(d)はそれぞれ線1B
、10,12.14mmφについてであり、それぞれ全
断面700℃に加熱した状態から放冷した場合の表面測
温データを用い、上記に従って解析したものである。
解析結果から、少なくとも8〜14mmφの線材では、
放冷による温度降下時の中心部温度に対する表面温度の
低下分は極めて僅かで殆ど無視してよい、換言すれば計
測された表面温度−全断面温度分布と見做してよいと判
断される極めて注目すべき資料が得られた。
翻って、本朝発明が目的とする熱処理に視点を当てるこ
ととする。
当該熱処理は前述のとおり所望する金泥組織とするため
、金泥組織の均一化を図るため、硬さを後工程の加工が
容易な硬さに軟化するため等から、線材を所定時間にわ
たり所定等温度保持を必要とするので、従来は当該処理
条件を満足する炉加熱に依存せざるを得なかった。
しかし、前掲の如く炉加熱には欠点があり、またインラ
イン処理も短時間保持は可能でも、線材を走行せしめつ
つ従来炉加熱と同一時間にわたり等温度に保持すること
は至難であったが、本発明者は処理方法として少な(と
も欠点のある炉加熱を回避し、インライン処理に依拠す
る基本方針に立脚し、当該インライン処理における保持
時間を短縮する意図で、全断面加熱状態とされた線材が
加熱温度と保持時間との関係でその組織および硬さがど
のように変化するかを追求することにより、保持時間の
最短限界を探ることとした。実施した多数の実験中の一
例を開示する。
全断面焼入れ済み供試体(30M435相当材。
線径10mmφ)をそれぞれ700,730.760℃
まで全断面加熱し、等温度保持を0,5゜10.20.
100および500se(とした場合について、得られ
た各供試体の硬さおよび組織状態如何を調査した。調査
結果を第4図の各加熱温度における等温度保持時間と供
試体の硬さとの関係を示す硬さ線図、および第5図(a
)〜(i)の組織顕微鏡写真図(X 400)として示
す、第4図の線Aは700℃、線Bは730℃、線Cは
760℃にそれぞれ加熱した供試体についての測定値か
ら求めたものである。また第5図の(a)〜(C)は7
00℃、  (d)〜(f)は730℃。
(g)〜(i)は760℃にそれぞれ加熱した供試体の
各保持時間を0.100.および500secとした際
のものである。
上記第4図と第5図との考察結果から、加熱温度が高い
場合には極めて短時間で組織がフェライト・パーライト
となり、また保持温度が短い場合には組織が焼戻マルテ
ンサイトであるものの、硬さの軟化度が低いことが確認
された。それ故、組織の変化をきたさずに硬さを軟化さ
せるには加熱温度の高・低のほかに保持時間の長・短も
寄与すること、逆に組織を変化させるには保持時間より
加熱温度が大きく寄与することが解明された。
他方、要求される組織や硬さに仕上げるためには、等温
度保持実施にあたり、予め行う実験から加熱温度と等温
度保持時間の最短限界との関係を求め得ることも多数の
実験結果から確認された。
具体的に言えば、組織の変化をきたさず硬さだけを軟化
させる場合には、最長等温度保持時間を500secと
すれば極めて低い仕上がり硬さHRc25が、また通常
要求される仕上がり硬さHRc30は等温度保持時間を
少なくとも50secとすれば容易に得られる。
そこで、次ぎにはインラインにおける線材送り速度が問
題となる0通常要求される硬さを得る場合の等温度保持
時間を100secとすれば、例えば線材送り速度を1
00 mm/secとした場合には走行する線材を10
mにわたり、また線材送り速度を50 mm/secと
した場合には走行する線材を5mにわたり、それぞれ等
温度保持すればよいと結論ずけられた。
してみると、何故従来炉加熱が長時間となるのかとの疑
問が生ずるが、当該加熱が炉内温度雰囲気の所定温度ま
での上昇に時間を要する点、および前述表面のみからの
熱エネルギー付与である点とを綜合すれば納得がゆく。
本発明者は上記炉加熱の熱エネルギー付与状態。
前記各加熱ならびに冷却に関する各考察および解析を基
礎として本発明を完成するに至った。
(発明の構成) 本発明の構成は、 (1〕線材を所定時間にわたり所定等温度に保持する熱
処理に付す場合において、 (2)当該熱処理をインラインで行うものとし、(3)
連続送りされる線材を急速加熱手段により上記所定温度
、もしくはそれよりやや高温度まで全断面加熱のうえ、 (4)線材へ所定時間にわたり直接抵抗加熱による電圧
を印加するようにし、 (5)上記印加電圧を当該印加電圧によって線材に発生
するジュール熱が加熱線材の放冷時に示す放熱量と見合
う如く設定する ことを特徴とする線材の等温度熱処理方法にある。
(発明の作用) 本発明は、放冷時における線材全断面の温度分布が計測
可能な表面温度の降下とほぼ等しい一様な降下を示すの
で、これに適合するよう線材の全断面からの発熱を促す
直接抵抗加熱手段を介するジュール熱による加熱、かつ
直接抵抗加熱における印加電圧を放熱損失に見合うよう
に設定するので、所定時間にわる線材全断面の等温度保
持を精密かつ確実に保証するとともに、等温度保持時間
を最短限度まで短縮する作用がある。
(実施例) 本発明を第6図に示す実施例線材熱処理ラインに従って
さらに詳述する。
図において、Lは熱処理ラインであり、線材は矢印方向
へ所定速度で走行する。10は熱処理ラインL上に配置
された急速加熱装置11およびラインL上を走行する線
材を挟む対電極輪12aおよび12bを具えた直接抵抗
加熱装置12からなる本発明にかかる等温度保持装置で
ある。    ゛上記等温度保持装置10における急速
加熱装置11は例えば誘導加熱ないし直接抵抗加熱等の
加熱手段であり、もし誘導加熱手段を採択した場合には
、線材全断面を些少時間で均熱するよう、表面を予定さ
れる保持温度よりやや高温度まで加熱すべく考慮した設
定とされる。
上記直接抵抗加熱装置12は本発明の最要部であり、対
電極輪12a、12b間はラインL上を走行する線材に
送り速度に対応して所定の電圧を印加する時間、即ち等
温度保持時間を確定する要素となる。若し、対電極輪1
2a、12b間が長尺となる場合には、対電極輪12a
、12b間に回転ロールを配置し、当該回転ロールに線
材を複数巻回せしめつつ走行させる構成とすればよく、
この場合の回転ロール周面ば耐熱、電気絶縁性を維持す
る如き材質で形成すればよい。この場合、本発明は直接
抵抗加熱により線材の全断面からの発熱を促すので、線
材送り速度での等温度保持時間が前掲の如く5〜10m
m程度で回転ロールは小形で済み、前記炉加熱の変形で
ある特開昭53−25218号における均熱炉の大形化
や線材送り速度の遅々等の非現実的な発想の轍を踏むこ
とはない。
また、光輝熱処理を望む場合には、対電極輪12a、1
2b間を無酸化雰囲気とすればよい。
而して、上記対電極輪12a、12b間の線材には、処
理される線材が放冷時に示す放熱量に見合うだけのジュ
ール熱の発熱を促す電圧が印加される設定とする0例え
ば前記急速加熱装置11により線材の全断面を973K
に加熱し、かつ当該温度を保持する場合の設定について
の計算例を挙げることとする。
放熱量qは公知の如く q−α(θ−θ■)・・・−−−−−一−−−−・・・
−・・−−−−−・・−・−・−−−−−−−−=(6
)ここで、 q・−・・−・−−−−−−・単位面積当たりの放熱量
  (W/m2) α−−−−一−−・・・・・−熱伝達率  (W/m2
K)θ−θ閃=973に−273に=700Kかつ前掲
冷却度りは であり、上記式(6)に前掲鉄系合金の熱伝導率λ−4
0W/mK 冷却度h=1m−’ を代入すれば α=40W/mKx l x−=4 QW/m’ K従
って、 q”40W/m2Kx700に =2.8 X 104W/m2−2.8W/cm”と計
算される。
他方1本発明では、放熱量qに見合う熱エネルギーを直
接抵抗加熱によるシール熱の発生で補償して所定温度を
保持する構成であるので、単位長さ1mとして、上記放
熱1qに見合う電流Iの通電抵抗Rによる発熱i11”
Rを得る場合の計算式%式%) ここで、d・・・−・−・−直径 (m)ρ−−−−−
−−−−−−抵抗率〔Ω−m〕となる。
而して、発明者は実験により 抵抗率ρ=90X10−’(Ω−m〕 ただし、材質345C,973K (700℃)を得て
おり、かつ当該実験値を近似値として採用するとともに
、前掲 放熱量Q=3X10’W/m” とした各数値を式(8)に代入すると、−286,78
6dF を得る。当該数値で示される電流値Iは線材Wの送り速
度には無関係なdの3/2乗となることを示すものであ
る。
上記構成からなる熱処理ラインLは、熱処理目的に応じ
て、それぞれ第7図(a)〜(d)に示す如く、走行す
る線材全断面に所定加熱温度と所定保持時間とを出現さ
せることとなる。即ち1図の(a)は完全焼きなましの
場合で、線材を急速加熱装置11によりA1変態点以上
に加熱したうえ、直接抵抗加熱装置12により所定時間
等温度保持された後、徐冷される。(b)は軟化焼きな
ましの場合で、線材を急速加熱装置11によりA1変態
点以下に加熱したうえ、直接抵抗加熱装置12により所
定時間等温度保持された後、ラインL上に設けた冷却ジ
ャケット等の冷却装置Jにより急冷される。(C)は等
塩焼きならしの場合で、線材を急速加熱装置11により
A3変態点以上に加熱したうえ、直接抵抗加熱装置12
■により所定時間等温度保持され、次いで冷却装置Jに
より所定温度まで冷却し、さらに直接抵抗加熱値fi!
12■により上記とは異なる等温度に所定時間保持され
た後、放冷される。(d)は繰り返し球状化焼鈍の場合
で、図示の如く急速加熱装置11■は線材を急速加熱装
置11によりA1変態点直上に加熱、直接抵抗加熱装置
12■はA1変態点直上を所定時間にわたり維持し、そ
の後A1変態点直下に温度降下した線材を直接抵抗加熱
装置12■が当該温度を所定時間にわたり維持し、次い
で急速加熱装置11■が線材を線材を再びA1変態点直
上に加熱、直接抵抗加熱装置12■が当該温度を所定時
間にわたり維持することを複数回繰り返した後、徐冷に
付される。
尚、同図において図示はしていないが、各熱処理ライン
L上の所定位置2例えば熱処理工程に付された線材が巻
き取られるライン終端近傍に、疵検自装置と当該疵検出
装置により検出された疵の位置に印を付けるマーキング
装置とを配置すれば、確実に素材線材の疵を発見して後
工程の加工に対処することが可能となるので好ましい。
以上例示の熱処理に限らず等温度保持を必要とする熱処
理は多々あるが、具体例として従来はコーイル材を炉加
熱での焼入れ、焼戻のうえ、さらに炉加熱で所定の硬さ
に仕上げていた調質処理に本発明を実施した場合の実験
例を以下に開示することとする。従来法調質は、処理時
間の長い点、処理の煩雑さの点、冷却の不均一さから仕
上がり強度が極めて全断面および全長で不均一となる点
等の問題を多々抱えていたところであった。
(実験例) ☆実施線材;材質345C相当 線径10mmφ ☆熱処理: O線材送り速度;80mm/5ec O焼入れ;誘導加熱手段により全断面を980℃まで加
熱し急冷・焼入れした。冷却流体は上水であった。
O焼戻し;誘導加熱により710℃に急速加熱のうえ、
下記条件に従って710℃で等温度保持し、上水により
冷却した。
電極間の間隔−・・−・−−−−−−・−・・・−−−
−−−−−8m電極間の電圧・−・−・−・・・−・−
27V電流・・−−−−−一−−・・−・286A等温
度保持時間−・−・−・・−IQQsec目標とする硬
さ−・・・−・・−・・−・−HV270(HRc25
) ☆上記熱処理線材を硬さ測定試験に付した。試験結果を
炉加熱で焼入れ、焼戻した従来品の試験結果とともに第
8図に硬さ分布線図として示す。図の(a)は断面の、
また(b)コイル長手方向表面の硬さ分布であり、両図
とも線Aは本発明実施材、線Bは従来材を示す。
上記実験例が示すように、炉加熱の場合に比べて格段に
短時間で焼入れおよび焼戻し処理が完了し、しかも硬さ
測定試験結果が示すように、本発明実施材は断面方向な
らびにコイル長手方向での硬さが極めて均一であること
が確認され、本発明方法が従来法に比べて格段に優れて
いることが実証された。
(発明の効果) 本発明は、インラインで線材の全断面を所定時間にわた
り所定等温度に保持することが可能、しかも直接抵抗加
熱によるので保持時間を極限まで短縮可能であるので、
熱処理ラインの長大化が回避され、また短時間処理であ
るので脱炭が皆無。
従って不活性雰囲気設備を強いて必要とせず、さらには
線材を全周方向、かつ全長にわたり均一な組織、均一な
硬さに仕上げることが可能、その上コイル材をそのまま
熱処理していた場合には発見出来なかった線材の疵を確
実に検出して対処し得るので処理線材の品質を飛躍的に
向上せしめることとなるなど、多岐にわたり顕著効果を
奏するとして賞用される。
【図面の簡単な説明】
第1図は線材を誘導加熱した場合の時間の経過に従った
断面温度分布を模式的に示す線図、第2図は放冷実験に
おける線材表面の温度を示す線図、第3図(a)〜(d
)はそれぞれ各線径の線材が放冷時の時間経過に従った
断面温度分布をコンピュータにより解析した結果を示す
線図、第4図は焼入れ材の焼戻時における各加熱温度で
の保持時間と硬さとの関係を示す硬さ線図、第5図(a
)〜(i)はそれぞれ焼入れ材の焼戻し時における各加
熱温度、保持時間、および金属組織の関係を示する金属
組織顕微鏡写真図、第6図は本発明実施例線材熱処理ラ
インを示す正面図、第7図(a)〜(d)はそれぞれ熱
処理目的に応じた急速加熱装置および直接抵抗加熱装置
の配置とこれに対応する温度状態との関係を示す線図、
第8図(a)および(b)はそれぞれ本発明性実施線材
と従来法実施線材との断面および長手方向表面の硬さ分
布を示す線図である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 線材を所定時間にわたり所定等温度に保持する熱処理に
    付す場合において、当該熱処理をインラインで行うもの
    とし、連続送りされる線材を急速加熱手段により上記所
    定温度、もしくはそれよりやや高温度まで全断面加熱の
    うえ、線材へ所定時間にわたり直接抵抗加熱による電圧
    を印加するようにし、上記印加電圧を当該印加電圧によ
    つて線材に発生するジュール熱が加熱線材の放冷時に示
    す放熱量と見合う如く設定することを特徴とする線材の
    等温度熱処理方法。
JP10624587A 1987-05-01 1987-05-01 線材の等温度熱処理方法 Pending JPS63274721A (ja)

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