JP6437806B2 - 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し、具体的には、熱間三次元加工された焼入れ部材を例えば自動車用部品に適用する際には焼入れ鋼材が耐食性を満足するために塗装性を確保する必要があるが、少ない不活性ガス量であっても、塗装性に有害な厚膜スケールの生成を抑制して焼入れ鋼材の表面状態および塗装性を改善できる焼入れ鋼材の製造方法に関する。

特許文献１には、図４に概要を示す熱間三次元加工装置１（以下、「３ＤＱ装置」ともいう）が開示されている。図４に示すように、閉じた横断面を有する中空の鋼材である被加工材２（以降の説明では鋼管を例にとる）を、所定の位置に固定配置された位置決め装置（支持ロール）３により位置決めしながら、送り装置４により鋼管２の軸方向（図４中の矢印が示す方向）へ、鋼管２の軸回りに非回転で送りながら、加工を行う。

位置決め装置３より鋼管２の送り方向の下流側（本明細書では、単に「下流側」とも称し、反対の位置関係を単に「上流側」とも称する。）には、鋼管２を周囲から加熱する環状の高周波誘導加熱コイル５（以下、単に「コイル」ともいう。）が配置される。コイル５を懸垂支持するブスバー（フィーダ）６からコイル５へ高周波電力を供給して、送られる鋼管２をＡｃ_３点以上の焼入れ可能温度域に加熱する。コイル５の下流側に配置された環状の水冷装置７から、加熱された鋼管２の外周に冷却水を噴射して、鋼管２を焼入れる。図４における符号６−１は、ブスバー６を介してコイル５へ供給する高周波電流を発生する変成器である。

コイル５で加熱されてから水冷装置７で冷却されるまでの領域に形成される鋼管２の高温部（加熱される部分）２ａを、水冷装置７よりも下流側に三次元に変位自在に配置された加工チャック８と位置決め装置（支持ロール）３とにより連続的または断続的に曲げ変形またはせん断変形させることにより、鋼管２に熱間加工を行って焼入れられた曲げ部材（本明細書では「焼入れ鋼材」ともいう）９を製造する。焼入れ鋼材９は、例えば、自動車部品、例えばピラー類，足回り部品，シート部品，ドアインパクトビームなどといった自動車車体の構造部材の素材として用いられる。

３ＤＱ装置１により製造される焼入れ鋼材９は、Ａｃ_３点以上に加熱された状態で加工されるために、その表面に酸化スケールが生成する。これまで、焼入れ鋼材９は、例えば自動車用部材の素材として用いられてきたものの、さほど高い耐食性を要求されなかったため、コイル５の周辺は大気のままの雰囲気で加工が行われていた。

しかし、焼入れ鋼材９の表面に生成した酸化スケールは、厚膜であると剥離し易く、焼入れ鋼材９に対するその後の化成処理性や電着塗装性が損なわれるため、厚膜スケールを生成させないためにはコイル５の周辺の雰囲気制御を行うことが有効である。

特許文献２には、３ＤＱで加工を行う際にコイルの上流から下流へ向けて不活性ガスを供給することにより酸化スケールが生成することを抑制する発明が、特許文献３には、不活性ガスで充満させたチャンバ内で焼入れを行うことにより酸化スケールの生成を防止する発明が、さらに、特許文献４には、コイルの前後を、加熱開始前から冷却完了までの範囲でチャンバにより覆い内部を不活性ガスで充満させて焼入れを行う発明が、それぞれ開示されている。

特開２００８−２３５７３号公報 特開２０１１−８９１５１号公報 特開２００７−１３１９３８号公報 特開２００２−３９３３号公報

本発明者らが鋭意検討した結果、特許文献２〜４に開示された発明では、例えば、四角形の横断面を有する鋼管のように、断面周方向へ少なくとも一つの頂点とこの頂点の両側にそれぞれ連続する２つの辺とを有する閉じた横断面を有する中空かつ長尺の鋼材に焼入れを行うためには、大量の不活性ガスを供給する必要があることが判明した。

すなわち、特許文献２により開示された発明では、焼入れ水量が増加すると水とともに巻き込まれる空気によって焼入れ部材の表面に酸化スケールが生じるため、大量の不活性ガスを鋼管２の周囲へ供給する必要があり、製造コストの上昇につながるとともに作業環境の点で問題がある。

特許文献３により開示された発明を３ＤＱに適用しようとすると、必然的にロボットの作動範囲をすべてチャンバ内に収める必要があり、装置が相当大型になるとともに、そこに充満させる不活性ガスの量も膨大なものとなり、製造コストの上昇は避けられない。

さらに、特許文献４に開示された発明を３ＤＱに適用すると、加工チャック８を支持する産業用ロボットがチャンバに干渉するおそれがあり、産業用ロボットの動作範囲、すなわち曲げ部材の形状が制限される。

このように、コイルの上流から不活性ガスを供給するだけでは、噴射される焼入れ水による空気の巻き込みを防げないため、不活性ガスの大量供給や加工装置全体の雰囲気制御が必要になり、製造コストが大幅に上昇する。

本発明は、従来の技術が有するこのような課題に鑑みてなされたものであり、３ＤＱにより、断面周方向へ少なくとも一つの頂点とこの頂点の両側にそれぞれ連続する２つの辺とを有する閉じた横断面を有する中空かつ長尺の鋼材に焼入れを行う場合に、大量の冷却水を用いても不活性ガスの噴出量を増加することなく、塗装性に有害な厚膜スケールの生成を効果的に抑制して焼入れ鋼材の表面状態および塗装性を改善できる焼入れ鋼材の製造装置および製造方法と、熱間三次元加工装置を提供することである。

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、断面周方向へ少なくとも一つの頂点とこの頂点の両側にそれぞれ連続する２つの辺とを有する閉じた横断面を有する中空かつ長尺の鋼材に対して、３ＤＱ装置を用いて焼入れを行う際に、コイルの下流側に配置される冷却装置（冷却ジャケット）における冷却水吐出孔が設けられていない部分（前記頂点に対向する、冷却ジャケットのコーナ部分）に遮蔽部材を配置することにより、噴射される冷却水に巻き込まれて随伴する空気の流れを軽減でき、不活性ガスの供給量を高めなくても、鋼管の高温部のみを十分に雰囲気制御することができ、これにより、塗装性に有害な製品表面の厚膜スケールの生成を抑制して焼入れ鋼材を製造できることを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。

本発明は、例えば四角形の横断面を有する鋼管のような、断面周方向へ少なくとも一つの頂点とこの頂点の両側にそれぞれ連続する２つの辺とを有する閉じた横断面を有する中空かつ長尺の鋼材を位置決めしながらその長手方向へ移動させるための位置決め装置と、
送られる鋼材から離間して第１の位置に配置されるとともに、鋼材を焼入れ可能温度域に加熱する高周波誘導加熱コイルと、
第１の位置よりも鋼材の送り方向の下流の第２の位置に配置されるとともに、鋼材の横断面において２つの辺それぞれに向けて略垂直に冷却媒体を吹き付ける冷却媒体噴射孔を有することにより鋼材を焼入れる冷却装置と、
鋼材における、高周波誘導加熱コイルにより加熱された部分へ向けて不活性ガスまたは還元性ガスを、第１の位置から第２の位置へ向かう側へ向けて吹き付けることによって、加熱された部分の周囲の空間に不活性ガスまたは還元性ガスを供給するスケール生成防止ガス供給装置と、
２つの辺のうちの一方の辺へ向かう冷却媒体を噴射する冷却媒体噴射孔の設置領域と、２つの辺のうちの他方の辺へ向かう冷却媒体を噴射する冷却媒体噴射孔の設置領域との間の冷却媒体非噴射領域に配置されて、冷却媒体に巻き込まれて随伴する空気の流れを抑制する遮蔽部材と
を備えることを特徴とする焼入れ鋼材の製造装置である。

別の観点からは、本発明は、断面周方向へ少なくとも一つの頂点とこの頂点の両側にそれぞれ連続する２つの辺とを有する閉じた横断面を有する中空かつ長尺の鋼材を、位置決め装置によって、位置決めしながらその長手方向へ移動させながら、
送られる鋼材から離間して第１の位置に配置される高周波誘導加熱コイルによって、鋼材を焼入れ可能温度域に加熱するととともに、第１の位置よりも鋼材の送り方向の下流の第２の位置に配置される冷却装置に設けられた冷却媒体噴射孔から、鋼材の横断面において２つの辺それぞれに向けて略垂直に冷却媒体を吹き付けることにより鋼材を焼入れ、
鋼材における、高周波誘導加熱コイルにより加熱される部分へ向けて不活性ガスまたは還元性ガスを、スケール生成防止ガス供給装置によって、第１の位置から第２の位置へ向かう側へ向けて吹き付けることによって、加熱される部分の周囲の空間に不活性ガスまたは還元性ガスを供給し、さらに、
２つの辺のうちの一方の辺へ向かう冷却媒体を噴射する冷却媒体噴射孔の設置領域と、２つの辺のうちの他方の辺へ向かう冷却媒体を噴射する冷却媒体噴射孔の設置領域との間の冷却媒体非噴射領域に配置される遮蔽部材によって、冷却媒体に巻き込まれて随伴する空気の流れを抑制すること
を備えることを特徴とする焼入れ鋼材の製造方法である。

これらの本発明では、鋼材は正方形の横断面を有してもよく、この場合に、遮蔽部材は下記（１）式および（２）式を満足する寸法を有することが望ましい。

０．６≦Ａ２／Ａ１＜１ ・・・・・（１）
０．６≦Ｂ２／Ｂ１＜１ ・・・・・（２）
Ａ１：前記鋼材の長手方向に直交する断面における、前記一方の辺への冷却媒体噴射孔の設置領域の、前記一方の辺と直交する第１の方向への長さ
Ａ２：前記鋼材の長手方向に直交する断面における、前記第１の方向への前記遮蔽部材の長さ
Ｂ１：前記鋼材の長手方向に直交する断面における、前記他方の辺への冷却媒体噴射孔の設置領域の、前記他方の辺と直交する第２の方向への長さ
Ｂ２：前記鋼材の長手方向に直交する断面における、前記第２の方向への前記遮蔽部材の長さ。

別の観点からは、本発明は、上述した本発明に係る焼入れ鋼材の製造装置と、
この焼入れ鋼材の製造装置における第２の位置よりも鋼材の送り方向の下流の第３の位置に三次元に移動自在に配置されて、位置決め装置とともに加熱される部分を曲げ変形またはせん断変形させることにより、鋼材に熱間加工を行う加工装置とを備えること
を特徴とする熱間三次元加工装置である。

本発明により、例えば、断面周方向へ少なくとも一つの頂点とこの頂点の両側にそれぞれ連続する２つの辺とを有する閉じた横断面を有する中空かつ長尺の鋼材であって、
長手方向の少なくとも一部に、二次元または三次元の方向へ屈曲するとともに焼入れられた屈曲部を有するとともに、
屈曲部は、表面にスケール（酸化膜）を有し、スケールの膜厚は１μｍ以下であり、スケール中に含まれるＦｅＯの比率が９０％以上であるとともに、鋼組織がマルテンサイト、あるいは、マルテンサイトおよび焼戻しマルテンサイトからなること
を特徴とする焼入れ部材が製造される。

この焼入れ部材におけるスケールは、日本パーカライジング株式会社製ＰＢＬ３０８０を用いて、当該処理液の標準条件で１２０秒間の化成処理を施した場合の、化成処理後の表面のＸ線回折分析において、フォスフォフィライトとホパイトのＸ線強度の合計に対する、ＦｅＯとＦｅ_３Ｏ_４とＦｅ_２Ｏ_３のＸ線強度の合計の比が０．０５以下であることが望ましい。

本発明により、３ＤＱにより、断面周方向へ少なくとも一つの頂点とこの頂点の両側にそれぞれ連続する２つの辺とを有する閉じた横断面を有する中空かつ長尺の鋼材に焼入れを行う場合に、大量の冷却水を用いても必要最小限の不活性ガスまたは還元性ガスを噴出することで、塗装性に有害な厚膜スケールの生成を効果的に抑制して焼入れ鋼材の表面状態および塗装性を改善できる。

これにより、３ＤＱにより製造される焼入れ鋼材の塗装性および耐食性を改善でき、この焼入れ鋼材を自動車用部品に適用する際に要求される耐食性を確保でき、自動車の品質向上に大きく寄与する。

さらに、本発明によれば、３ＤＱの加工時に用いる不活性ガスまたは還元性ガスの使用量を顕著に抑制できるので、作業環境の改善を図ることもできる。

図１は、本発明に係る製造装置の主要部を拡大して示す説明図である。 図２は、製造装置の主要部を抜き出して示す正面図である。 図３は、実施例で用いた４種の遮蔽版の形状１〜４をまとめて示す説明図である。 図４は、特許文献１により開示された３ＤＱ装置を示す説明図である。

本発明を、添付図面を参照しながら説明する。なお、以降の説明では、本発明における「断面周方向へ少なくとも一つの頂点とこの頂点の両側にそれぞれ連続する２つの辺とを有する閉じた横断面を有する中空かつ長尺の鋼材」が、後述する図１に示すように、正方形の横断面を有する長尺の鋼管１７である場合を例にとるが、本発明はこの鋼管１７に限定されるものではなく、上述の特徴を有する鋼材であれば、上記鋼管１７以外の他の鋼材であっても同様に適用される。鋼管１７の横断面は、正方形以外に、例えば、長方形、多角形、辺内に凹ビードを有する概ね長方形（一つの面にビードを有する凹型、対向する二面にビードを有するＨ型、あるいはすべての面にビードを有する型）、多角形の頂点の角度を崩した異形断面（例えば各頂点の角度が８７，８８，９１，９４°である四角形）等が例示される。

本発明に係る焼入れ鋼管３０の製造装置１０、熱間三次元加工装置２０、焼入れ鋼管３０の製造方法と、本発明により製造される焼入れ鋼管３０を順次説明する。

１．焼入れ鋼管３０の製造装置
図１は、本発明に係る製造装置１０の主要部を拡大して示す説明図であり、図２は、製造装置１０の主要部を抜き出して示す正面図であって、図１におけるＣ矢視図である。

図１に示すように、製造装置１０は、位置決め装置１２と、高周波誘導加熱コイル１３と、冷却装置１４と、スケール生成防止ガス供給装置１５と、遮蔽部材１６とを備える。

［位置決め装置１２］
位置決め装置１２は、長尺かつ中空の形状を有する加工素材である鋼管１７を、所定の位置に位置決めしながら、鋼管１７を軸回りに非回転で長手方向へ移動させるための装置であり、例えば、鋼管１７の外周面に当接する形状の内面を有する一対の孔型ロール１２ａ，１２ｂにより構成される。

鋼管１７は、断面周方向へ４つの頂点１７ｅ〜１７ｈとこれら４つの頂点１７ｅ〜１７ｈそれぞれの両側にそれぞれ連続する４つの辺１７ａ〜１７ｄとを有する閉じた横断面を有する。

［高周波誘導加熱コイル１３］
高周波誘導加熱コイル１３は、位置決め装置１２により送られる鋼管１７の外周面から所定距離離間して第１の位置Ａに配置される。高周波誘導加熱コイル１３は、鋼管１７の外周面から離れて鋼管１７の周囲を取り囲むことができる略正方形の環状の外形を有し、鋼管１７を焼入れ可能温度域（Ａｃ_３点以上）に加熱する。

なお、高周波誘導加熱コイル１３は、図４に示すように、変成器６−１が発生する高周波電力を供給されるブスバー（フィーダ）６に懸垂支持されており、ブスバー（フィーダ）６により高周波電力を供給されて、鋼管１７をＡｃ_３点以上の焼入れ可能温度域に加熱する。

［冷却装置１４］
冷却装置１４は、高周波誘導加熱コイル１３が設置される第１の位置Ａよりも鋼管１７の送り方向の下流の第２の位置Ｂに配置される。冷却装置１４は、鋼管１７の横断面において鋼管１７の４つの辺１７ａ〜１７ｄそれぞれに向けて略垂直に冷却媒体（以降の説明では冷却水を例にとる）を噴射する多数の冷却媒体噴射１４ａ，１４ｂを有する。

すなわち、図１および図２に示すように、冷却装置１４は、鋼管１７の２つの辺１７ａ，１７ｂのうちの一方の辺１７ａへ向かう冷却水を噴射する多数の冷却水噴射孔１４ａと、鋼管１７の２つの辺１７ａ，１７ｂのうちの一方の辺１７ｂへ向かう冷却水を噴射する多数の冷却水噴射孔１４ｂとを有する。

図２では省略しているが、冷却装置１４は、他の辺１７ｃへ向かう冷却水を噴射する多数の冷却水噴射孔１４ｃと、他の辺１７ｄへ向かう冷却水を噴射する多数の冷却水噴射孔１４ｄも有する。

鋼管１７の各辺１７ａ〜１７ｄへ向かう冷却水を噴射する多数の冷却水噴射孔１４ａ〜１４ｄが設置される領域の間、すなわち鋼管１７の頂点１７ａ〜１７ｄに対向する、冷却装置１４の４つの角部には、それぞれ、冷却水噴射孔が配置されない冷却水非噴射領域が形成されている。

冷却装置１４は、多数の冷却水噴射孔１４ａ〜１４ｄからそれぞれ鋼管１７の各辺１７ａ〜１７ｄへ冷却水をそれぞれ噴射することにより、鋼管１７を焼入れて、マルテンサイト、あるいは、マルテンサイトおよび焼戻しマルテンサイトからなる鋼組織とする。
［スケール生成防止ガス供給装置１５］
スケール生成防止ガス供給装置１５は、図示しない供給ポンプ、この供給ポンプに接続される供給ノズル１５ａと、高周波誘導加熱コイル１３の上流側に配置されて鋼管１７の周囲を囲んで配置されるガスチャンバ１５ｂと、ガスチャンバ１５ｂの上流側の開口を鋼管１７が侵入可能なように塞ぐゴムシャッタ１５ｃとを有する。

鋼管１７における、高周波誘導加熱コイル１３により加熱されて、酸化スケールが生成する高温にある部分１７ｉに不活性ガスまたは還元性ガス（Ｎ_２ガスが例示される。以下、単に「ガス」という）を吹き付けて、高温にある部分１７ｉの周囲の空間にガスを供給して、滞留、充満させるためのものである。

供給ノズル１５ａの設置位置や向き、設置数、さらには、供給ノズル１５ａからのガスの吹き付け力等は、高温にある部分１７ｉの全周の環状の空間にガスを供給して、滞留、充満させることができるように、適宜設定すればよい。例えば、供給ノズル１５ａは、鋼管１７の周囲に離間して等間隔で４〜８個程度設置することが例示される。

鋼管１７の高温にある部分への例えばＮ_２ガスの供給量は、５０Ｌ／ｍｉｎ以上５００Ｌ／ｍｉｎ以下であることが例示される。なお、この供給量は、温度や圧力の影響を受けない質量流量計での値である。

例えば、図１に例示するように、供給ノズル１５ａからのガスの吹き付け方向（供給ノズル１５ａの中心が指向する方向）を、第１の位置Ａから第２の位置Ｂに向かう側へ向けて斜めに吹き付けることによって、鋼管１７の周囲において第１の位置Ａから第２の位置Ｂへ向かうガスの流れによって、冷却装置１４から噴射された冷却水が加熱された部分１７ｉの周囲の空間へ向かうことを阻止することができる。このため、冷却装置１４から鋼管１７の外面に噴射された冷却水が高周波誘導加熱コイル１３による鋼管１７の加熱される部分の大きさを変動させて鋼管１７の加熱状況に影響することを防止できるので、鋼管１７に対する加工を安定して行うことができるようになる。

また、供給ノズル１５ａからガスを加熱された部分１７ｉの周囲の空間へ向けて吹き付けるので、加熱された鋼管１７の表面の酸化が抑制され、これにより、製造される焼入れ鋼管３０の表面の酸化スケールの生成量が低減される。このため、製造される焼入れ鋼管３０の表面性状を向上することができるとともに、化成処理および電着塗装を行われる際には化成処理性ひいては塗装後耐食性をも向上することができる。

特に、高周波誘導加熱コイル１３により加熱された部分へ第１の位置Ａから第２の位置Ｂに向かう側へ向けて吹き付けられて鋼管１７の加熱された部分１７ｉの周囲の空間に供給されるガスによって、高温に加熱された鋼管１７の外面に噴射された冷却水の水蒸気から分離・生成した酸素ガスＯ_２の分圧を低下することができるので、鋼管１７の外面における酸化スケールの生成を十分に抑制することができる。このため、製造される焼入れ鋼管３０の表面性状を向上することができるとともに、化成処理および電着塗装を行われる際には化成処理性ひいては塗装後耐食性をも向上することができる。

このように、スケール生成防止ガス供給装置１５は、鋼管１７における、高周波誘導加熱コイル１３により加熱された部分へ向けてガスを、第１の位置Ａから第２の位置Ｂへ向かう側へ向けて吹き付けることによって、加熱された部分１７ｉの周囲の空間にガスを供給する。

［遮蔽部材１６］
スケール生成防止ガス供給装置１５におけるガスチャンバ１５ｂを配置することにより、高周波誘導加熱コイル１３の上流側からガスを供給してガスチャンバ１５ｂの内部を正圧にすることによって、外部からの空気の巻き込みを抑制することができるものの、ガスチャンバ１５ｂの下流側で噴射される冷却水による空気の巻き込みを抑制するためには、相当量のガス供給を行う必要がある。

本発明では、冷却水による空気の巻き込みそのものを抑制する手法として、空気を巻き込む入口と考えられる冷却水ノズルの吐出孔が設けられていない冷却装置１４のコーナ部分、すなわち鋼管１７の各辺１７ａ〜１７ｄへ向かう冷却水を噴射する多数の冷却水噴射孔１４ａ〜１４ｄが設置される領域の間である、鋼管１７の頂点１７ａ〜１７ｄに対向する、冷却装置１４の４つの角部にそれぞれ形成される、冷却水噴射孔が配置されない冷却水非噴射領域を、遮蔽板等の遮蔽部材１６で覆う。

これにより、下流側からの空気巻き込みが抑制され、より少ないガス供給でも十分な雰囲気制御が可能となり、焼入れ鋼管３０の表面の厚膜スケール生成を抑止することが可能になる。

遮蔽板１６の寸法は、冷却水非噴射領域を覆うことができる寸法であることが望ましいが、大き過ぎると加工の際に鋼管１７と干渉したり、冷却水の流れを阻害して高周波誘導加熱コイル１３側へ、噴射された冷却水が逆流することがある。このため、遮蔽板１６の寸法は、これらの不具合を生じない範囲で最大の寸法とすることが望ましい。

遮蔽部材１６は、例えば、下記（１）式および（２）式を満足する寸法を有することが望ましい。

０．６≦Ａ２／Ａ１＜１ ・・・・・（１）
０．６≦Ｂ２／Ｂ１＜１ ・・・・・（２）
Ａ１：鋼管１７の長手方向に直交する断面（図２に示す断面）における、一方の辺１７ａへの冷却媒体噴射孔１４ａの設置領域の、一方の辺１７ａと直交する第１の方向への長さ
Ａ２：鋼管１７の長手方向に直交する断面（図２に示す断面）における、第１の方向への遮蔽部材１６の長さ
Ｂ１：鋼管１７の長手方向に直交する断面（図２に示す断面）における、他方の辺１７ｂへの冷却媒体噴射孔１４ａの設置領域の、他方の辺１７ｂと直交する第２の方向への長さ
Ｂ２：鋼管１７の長手方向に直交する断面（図２に示す断面）における、第２の方向への遮蔽部材１６の長さ。

遮蔽板１６の材質は、高周波誘導加熱コイル１３により誘導加熱されず、かつ冷却水の噴流に耐えるものである。また、加工が厳しい場合には曲げられた後の鋼管１７と接触して破損することも考えられるため、ある程度の弾性を有し、かつガスの圧力により撓まない材質であることが望ましい。このような観点から、遮蔽板１６の材質は、ゴム，ウレタン，発泡樹脂等の非金属であることが挙げられる．
遮蔽板１６を設けることにより、より少ないガス量でも鋼管１７の稜線部におけるスケールの生成を抑制できる。また、同じガス流量であれば多くの冷却水を流すことができ、冷却能を向上させられるために加工速度を高めて生産性を向上できる。

このように、遮蔽部材１６は、少なくとも、鋼管１７における２つの辺１７ａ，１７ｂのうちの一方の辺１７ａへ向かう冷却水を噴射する冷却水噴射孔１４ａの設置領域と、２つの辺１７ａ，１７ｂのうちの他方の辺１７ｂへ向かう冷却水を噴射する冷却水噴射孔１４ｂの設置領域との間の冷却水非噴射領域に配置されて、冷却水に巻き込まれて随伴する空気の流れを抑制する。
製造装置１０は以上のように構成される。次に、熱間三次元加工装置２０を説明する。

２．熱間三次元加工装置２０
図１に示すように、熱間三次元加工装置２０は、上述した本発明に係る焼入れ鋼材の製造装置１０と、製造装置１０における第２の位置Ｂよりも鋼管１７の送り方向の下流の第３の位置Ｄに三次元に移動自在に配置されて、位置決め装置８とともに、鋼管１７の加熱される部分１７ｉを曲げ変形またはせん断変形させることにより、鋼管１７に熱間加工を行う加工装置２１とを備えるものである。

加工装置２１は、多関節型の産業用ロボット２２と、産業ロボット２２に支持されるとともに鋼管２１の先端に固定されるチャック２３とを備えることが例示される。これにより、チャック２３を三次元の方向へ移動させることにより、鋼管１７の加熱される部分１７ｉを曲げ変形またはせん断変形させることができる。

熱間三次元加工装置２０は以上のように構成される。次に、本発明に係る焼入れ鋼管３０の製造方法を説明する。

３．焼入れ鋼管３０の製造方法
本発明では、長尺の鋼管１７を、位置決め装置１２によって、位置決めしながらその長手方向へ移動させながら、
送られる鋼管１７から離間して第１の位置Ａに配置される高周波誘導加熱コイル１３によって、鋼管１７を焼入れ可能温度域に加熱するととともに、第１の位置Ａよりも鋼管１７の送り方向の下流の第２の位置Ｂに配置される冷却装置１４によって、鋼管１７の横断面において２つの辺１７ａ，１７ｂそれぞれに向けて略垂直に冷却水を吹き付けることにより鋼管１７を焼入れ、
鋼管１７における、高周波誘導加熱コイル１３により加熱される部分１７ｉへ向けてガスを、スケール生成防止ガス供給装置１５によって、第１の位置Ａから第２の位置Ｂへ向かう側へ向けて吹き付けることによって、加熱される部分１７ｉの周囲の空間にガスを供給し、さらに、鋼管１７の各辺１７ａ〜１７ｄへ向かう冷却水を噴射する多数の冷却水噴射孔１４ａ〜１４ｄが設置される領域の間、すなわち鋼管１７の頂点１７ａ〜１７ｄに対向する、冷却装置１４の４つの角部にそれぞれ形成される、冷却水噴射孔が配置されない４つの冷却水非噴射領域にそれぞれ配置された遮蔽板１６によって、冷却水に巻き込まれて随伴する空気の流れを抑制する。

このため、本発明によれば、冷却水による空気の巻き込みそのものを抑制することができ、下流側からの空気巻き込みが抑制され、より少ないガス供給でも十分な雰囲気制御が可能となり、焼入れ鋼管３０の表面の厚膜スケール生成を抑止することが可能になる。
次に、本発明により製造される焼入れ鋼管３０を説明する。

４．焼入れ鋼管３０
焼入れ鋼管３０は、長尺の鋼管１７を素材とする。

焼入れ鋼管３０の長手方向の少なくとも一部に、二次元または三次元の方向へ屈曲するとともに焼入れられた屈曲部３１を有する。

屈曲部３１は、表面にスケール（酸化膜）を有する。このスケールの膜厚は１μｍ以下であり、このスケール中に含まれるＦｅＯの比率が９０％以上であるとともに、鋼組織がマルテンサイト、あるいは、マルテンサイトおよび焼戻しマルテンサイトからなる。

このスケールは、日本パーカライジング株式会社製ＰＢＬ３０８０を用いて、当該処理液の標準条件で１２０秒間の化成処理を施した場合の、化成処理後の表面のＸ線回折分析において、フォスフォフィライトとホパイトのＸ線強度の合計に対する、ＦｅＯとＦｅ_３Ｏ_４とＦｅ_２Ｏ_３のＸ線強度の合計の比が０．０５以下である。

このため、この焼入れ鋼管３０は、塗装性に有害な厚膜スケールの生成を効果的に抑制してその表面状態および塗装性を改善できる。これにより、３ＤＱにより製造される焼入れ鋼管３０の塗装性および耐食性を改善でき、焼入れ鋼管３０を自動車用部品に適用する際に要求される耐食性を確保でき、自動車の品質向上に大きく寄与することができる。

さらに、本発明によれば、３ＤＱの加工時に用いるガスの使用量を顕著に抑制できるので、作業環境の改善を図ることもできる。

図３は、実施例で用いた４種の遮蔽板１６（材質：ウレタン）の形状１〜４および配置をまとめて示す説明図である。図３に示す各遮蔽板の寸法（図２における長さＡ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）の値は、以下の通りである。

形状１：Ａ２／Ａ１＝Ｂ２／Ｂ１＝０．６２５
形状２：Ａ２／Ａ１＝Ｂ２／Ｂ１＝０．５
形状３：冷却水噴出孔１４ａ〜１４ｄを塞いだ形状
形状４：Ａ２／Ａ１＝Ｂ２／Ｂ１＝１．１５
図１，２に示す焼入れ部材の製造装置１０を用いて、幅４２ｍｍ，高さ３６ｍｍ，肉厚２．４ｍｍの断面長方形の鋼管１７に３ＤＱ装置を用いて焼入れを行い、得られた焼入れ部材３０の表面における厚膜スケールの生成状態を観察した。表１に実験条件をまとめて示す。なお、冷却水噴射孔１４ａ，１４ｂの配置は図２に示す通りであり、冷却水の噴射角度は鋼管１７の送り方向に対して下流側に向けて３０°傾斜した角度である。

表１に示すように、冷却水ジャケットのコーナ部分を形状１の遮蔽板１６で適切に覆った場合（本発明例１〜２）にはガス流量が同じであれば冷却水量を増加させても、また冷却水量が同じならガス流量を減らしても、厚膜スケールの生成しない良好な表面を有する焼入れ鋼管３０を得ることができた。なお、形状２の遮蔽板１６は形状１の遮蔽版１６よりも遮蔽面積が小さく空気の巻き込み効果がやや不十分である。

他方、形状３の遮蔽板（比較例２）は、冷却水噴射孔１４ａ，１４ｂを塞いでしまっており、冷却水の逆流を招き、焼入れ鋼管３０の焼き入れ不良や高周波誘導加熱コイル１３の通電不良を生じてしまった。また、形状４の遮蔽板（比較例３）は、鋼管１７の通過領域に遮蔽板１６が張り出しており、鋼管１７と干渉してしまった。

このように、遮蔽板１６を設けない場合（従来例１〜３）や遮蔽板１６の形状が不適切な場合（比較例２，３）には、冷却水量を増やしたりガス流量を減らしたりすると、焼入れ鋼管３０の表面に厚膜スケールが生成した。また、遮蔽板１６の形状が不適切な場合には高周波誘導加熱コイル１３側への冷却水逆流や焼入れ鋼管３０との接触干渉が生じた。

１０ 製造装置
１２ 位置決め装置
１３ 高周波誘導加熱コイル
１４ 冷却装置
１４ａ，１４ｂ 冷却媒体噴射孔
１５ スケール生成防止ガス供給装置
１６ 遮蔽部材
１７ 鋼管
１７ａ，１７ｂ ２つの辺
１７ｉ 加熱される部分
２０ 熱間三次元加工装置
３０ 焼入れ鋼管

Claims (1)

1. 断面周方向へ少なくとも一つの頂点と該頂点の両側にそれぞれ連続する２つの辺とを有する閉じた横断面を有する中空かつ長尺の鋼材を、位置決め装置によって、位置決めしながらその長手方向へ移動させながら、
   送られる前記鋼材から離間して第１の位置に配置される高周波誘導加熱コイルによって、該鋼材を焼入れ可能温度域に加熱するととともに、前記第１の位置よりも前記鋼材の送り方向の下流の第２の位置に配置される冷却装置に設けられた冷却媒体噴射孔から、前記鋼材の横断面において前記２つの辺それぞれに向けて略垂直に冷却媒体を吹き付けることにより前記鋼材を焼入れ、
   該鋼材における、前記高周波誘導加熱コイルにより加熱される部分へ向けて不活性ガスまたは還元性ガスを、スケール生成防止ガス供給装置によって、前記第１の位置から前記第２の位置へ向かう側へ向けて吹き付けることによって、前記加熱される部分の周囲の空間に不活性ガスまたは還元性ガスを供給し、さらに、
   前記２つの辺のうちの一方の辺へ向かう前記冷却媒体を噴射する前記冷却媒体噴射孔の設置領域と、前記２つの辺のうちの他方の辺へ向かう前記冷却媒体を噴射する前記冷却媒体噴射孔の設置領域との間の冷却媒体非噴射領域に配置される遮蔽部材によって、前記冷却媒体に巻き込まれて随伴する空気の流れを抑制すること
   を備えることを特徴とする表面に厚膜スケールの無い焼入れ鋼材の製造方法。

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