JPH0699745B2 - 軟化棒・線材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、軟化線材および軟化棒鋼の製造方法に関す
る。

［従来の技術］ 周知のように、冷間鍛造される線材や棒鋼のうち、硬質
で成形性の悪いものは、予めその硬さを下げ、変形能を
向上させるために、軟化熱処理として球状化焼鈍が施さ
れるのが一般的である。この球状化焼鈍としては、よく
知られているように、３タイプがある。すなわち、第10
図（ａ）に示すように、A1点以上の温度まで加熱した
後、A1点以下の温度まで徐冷する徐冷タイプ、第10図
（ｂ）に示すように、A1点以上の温度まで加熱した後、
A1点以下の温度まで急冷し、その温度に長時間保持する
恒温変態タイプ、第10図（Ｃ）に示すように、A1点以下
の温度に長時間保持する等温保持タイプの三つである
が、いずれも10数時間、場合によっては、20時間以上も
かかるため、省エネルギーの観点からすれば非常に不利
な熱処理である。

そこでこの球状化焼鈍時間を短縮する目的で、特開昭62
−139817号公報や特開昭58−3919号公報に示されるよう
に、圧延条件を調整する方法が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記公報技術ではいずれも時間はそれ以
前よりは若干短縮されるものの、基本的には従来の球状
化焼鈍のヒートパターンをそのまま採用するものである
ため、処理時間の大幅な短縮化という意味ではあまり効
果がない。

また、球状化焼鈍は上述したように非常に長時間処理で
あるので、酸化性ガスによる鋼表面の脱炭を防ぐため、
雰囲気ガスとしてCOやH₂を含む還元性ガスが使用されて
いる。しかし鋼表面にスケールが存在すると、還元性ガ
スとスケールとが反応して酸化性ガスが発生し、却って
脱炭が促進される。線材等の球状化焼鈍前には、酸洗に
よる化学的スケール除去あるいはショットブラストや繰
返しなどによる機械的スケール除去が必要である。

これに対して、特公昭59−18447号公報では、上記スケ
ール除去工程を省略して、線材表面にスケールを付着さ
せたままで、かつ高価な還元性ガスではなく、N₂などの
安価な不活性ガスで球状化焼鈍を行うという提案がなさ
れている。この提案は、熱延後850℃以上の温度で巻取
り、８秒以上経過させた後、４℃／秒以上の速度で冷却
して表面に８μｍ以上のスケールを形成させ、かつ内部
を急冷組織（ソルバイト、ベイナイト、マルテンサイ
ト）にするという方法である。

この方法によれば、圧延後の組織がベイナイト、マル
テンサイト等の急冷組織であるため、圧延後のハンドリ
ング時に折損や置き割れが生じる恐れがある。さらに、
これに球状化焼鈍を施した場合、炭化物が極めて細か
くなり、冷間加工性は優れるものの、硬さが高く、冷鍛
時の型寿命が短くなるという欠点がある。

この２つの問題に鑑み、本発明者は鋭意検討の結果、上
記問題については、仕上圧延条件とその後の冷却条件
を適宜組み合わせることにより、その後工程の軟化熱処
理は球状化焼鈍ではなく、単に加熱−大気中放冷を行う
だけで十分軟化効果があり、大幅な熱処理時間の短縮が
可能となることを見出した。

また、問題については、上記仕上圧延条件とその後の
冷却速度の組合せにより、圧延後の組織をベイナイトや
マルテンサイト等の急冷組織ではなく、フェライト・パ
ーライトまたはフェライト・パーライト・球状化セメン
タイトの混合組織とし、かつ圧延時に生成したスケール
を表面に付着させたまま、不活性ガス中で球状化焼鈍を
施し得ることを見出した。

本発明は以上の知見に基づいて完成させたもので、その
主目的は、安価な不活性ガス雰囲気中での熱処理と大幅
な熱処理時間の短縮が可能であり、かつ圧延後のハンド
リング時に折損や置き割れの生じない軟化棒・線材の製
造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明は、1.5％以下のＣを
含有する鋼材を熱間圧延するに際し、仕上圧延開始温度
を750℃以下、仕上圧延終了温度を850℃以下に制御し、
その後0.5℃／秒以上、４℃／秒未満の冷却速度で500℃
まで冷却し、次いで室温まで冷却した後、製品表面のス
ケールを付着させたまま、不活性ガスを90％以上含有す
る雰囲気中で、（A1点−50℃）以上、（A1点＋50℃）以
下の温度になるまで加熱し、この温度範囲に10分間以上
保持した後、大気中で放冷することにより、球状化組織
を得ることを特徴とするものである。

［作 用］ 本発明では、仕上圧延の温度条件、仕上圧延後の冷却条
件、それに次ぐ球状化焼鈍条件を上記のように特定する
ものであるから、鋼表面からの脱炭を生じることなく、
しかも球状炭化物の十分成長した成形性良好な適度な硬
さの線材等を得ることができる。また、これにより、軟
化熱処理後のハンドリング時の置き割れ等をも防止でき
る。

さらに、本発明ではスケール除去工程を要しないことな
どから工程全体を簡素化させることができる。

［発明の具体的構成］ 次に、本発明における各数値の限定理由等について詳説
する。まず鋼に含有するＣ量を1.5％以下に限定したの
は、一般に鋼に網目状に析出するいわゆる初析セメンタ
イトが存在すると、冷間鍛造時にこの初析セメンタイト
を起点として表面割れが発生するが、Ｃ量が1.5％を越
えると、いかなる条件で圧延・冷却しても上記初析セメ
ンタイトの生成を防止することは不可能であり、またそ
の後の焼鈍によってもこれを消滅せしめることは不可能
であるからである。

次に、仕上圧延開始温度を750℃以下、仕上圧延終了温
度を850℃以下に制御し、その後500℃までの冷却速度を
0.5℃／秒以上、４℃／秒未満に規定した理由を説明す
る。

まず第１に、この条件範囲内で圧延・冷却した鋼の組織
においては、炭化物が一部球状化するので、次工程の軟
化熱処理においては、長時間を要するいわゆる球状化焼
鈍ではなく、加熱−大気放冷という極めて短時間の熱処
理で完全に炭化物を球状化し得るためである。この冶金
的理由を以下に説明すると、まず仕上圧延開始前の組織
がオーステナイトあるいはオーステナイト・フェライト
である場合には、750℃以下の温度での仕上圧延によ
り、オーステナイトおよびフェライト粒界に極めて微細
な炭化物が加工誘起分散析出し、これを核としてその後
の４℃／秒未満の冷却中に球状炭化物が生成する。ま
た、圧延材が850℃を越えると、加工誘起析出した微細
炭化物が完全に固溶してしまい、球状炭化物の生成が全
く不可能になるため、仕上圧延終了温度は850℃以下に
する必要があるのである。また850℃以下にする他の理
由は、850℃以下にすると、第１図に示すように、次工
程の不活性ガス中での焼鈍中の脱炭を防止するのに有効
なFe₂O₃、Fe₃O₄（特にFe₃O₄）の割合の大きいスケール
組成になるためである。さらに、850℃を越えると、ス
ケール厚さが厚くなり、圧延後のハンドリング中にスケ
ールが剥離しやすくなり、剥離した部分については不活
性ガス雰囲気中での軟化熱処理時に脱炭が進行するから
である。

またスケール剥離は第２図に示すように、その厚さが20
μｍを越えると、急激に起こりやすくなるが、第３図に
示すように仕上圧延終了温度を850℃以下にした場合、
その後の冷却速度を0.5℃／秒以上にする限り、スケー
ル厚さは20μｍ以下になるので仕上圧延終了後の冷却速
度は0.5℃／秒以上とした。

また冷却速度を４℃／秒未満に規定したのは、前述した
ように、オーステナイトおよびフェライト粒界に析出し
た微細炭化物を核として炭化物が球状に成長するのに必
須であり、４℃／秒以上になると微細炭化物を核として
炭化物が成長するに十分な時間的余裕がないため球状に
はならず、炭化物は全て層状になるか、あるいはベイナ
イトやマルテンサイトなどの急冷組織となり、次工程の
軟化熱処理実施までに置き割れやハンドリング中の折損
が生じる可能性が大きくなるためである。

次に冷却速度範囲が500℃までに制限したのは、500℃以
下ではスケール厚さ、組成はほとんど変化せず、かつ炭
化物の析出は500℃までで完了するからである。

次に、仕上圧延前にすでにオーステナイトからフェライ
ト・パーライト、ベイナイトあるいはマルテンサイトに
相変態している場合には、仕上圧延に伴う塑性変形によ
って組織内の炭化物は微細に破砕され、結果的に微細炭
化物が分散したことになる。そしてその後の４℃／秒未
満の冷却中に球状に成長するのである。またかかる仕上
圧延の効果は仕上圧延開始温度が650℃より低くなると
特に大きくなる。したがって、該開始温度は650℃以下
が好ましい。なお、仕上圧延開始温度の下限については
特に規定しないが、極端に低くなると圧延機にかかる負
荷が大きくなり、実質的に圧延不能となるので、圧延機
の能力に応じた下限値を設定する必要がある。

次に、本発明では上記方法で圧延した線材および棒鋼
を、その表面にスケールを付着させたままの状態で軟化
熱処理するが、これは従来法におけるようなスケール除
去工程を省略することにより、工程を簡素化することを
狙いとしている。またこの軟化熱処理を、90％以上の不
活性ガスを含有する雰囲気中で行う理由は次の通りであ
る。

上記線材等をその表面にスケールを付着させたまま熱処
理する場合、第４図に示すように、熱処理雰囲気中の不
活性ガスの割合が90％より低くなると急激に表層部の脱
炭が進行するため、90％以上とした。

次に、球状化組織を得るための軟化熱処理として（A1点
−50℃）以上、（A1点＋50℃）以下の温度に加熱し、こ
の温度範囲に10分間以上保持することとしたのは、この
範囲外の温度に加熱保持した場合、その後大気中放冷を
行うと、炭化物の球状化が十分に行われなくなるからで
ある。すなわち、上述の通り本発明においては、鋼線材
または棒鋼を750℃以下の低温で圧延しているため、基
地組織に多大な塑性加工エネルギーが蓄積されているの
で、若干の熱エネルギーを加えるだけで、この蓄積され
た塑性加工エネルギーが解放され、これに伴って、層状
炭化物は分断されて棒状ないし球状となり、この際固溶
した炭化物は仕上圧延・冷却後の大気放冷中に、すでに
析出した球状炭化物を核として再析出し、球状炭化物の
成長がさらに進む。このためには、少なくとも（A1点−
50℃）以上の温度に10分以上保持する必要があるが、
（A1点＋50℃）の温度を越えると、すでに析出している
球状炭化物が完全に固溶し、再析出すると層状炭化物と
なってしまう。以上の理由から、上記温度範囲に加熱・
保持することとしたものである。

前記第１図〜第４図について補足説明する。

第１図はSCM435、18mmφの線材を製造した場合の仕上圧
延温度と圧延後のスケール中に含まれるFe₂O₃、Fe₃O₄の
組成比率を示したものである。圧延後の冷却速度は２℃
／秒である。

第２図は種々の厚さのスケールを有するSCM435、18mmφ
の線材を軸方向に引っ張り、２％の塑性変形を与えた場
合のスケール厚さとスケール剥離率（重量％）を示した
ものである。

第３図はSCM435、18mmφの線材を製造した場合の仕上圧
延温度と圧延後のスケール厚さの関係を仕上圧延後の冷
却速度毎に示したものである。

第４図はスケール厚さが14μｍのSCM435、18mmφの線材
を745℃に加熱し、18分間保持した場合の熱処理雰囲気
中のN₂の含有率（体積％）と熱処理後の表面脱炭層の深
さの関係を示したものである。

第１図〜第４図については、いずれもSCM435について示
したものであるが、他の鋼種においてもほぼ同様の傾向
がある。

［実施例］ 次に実施例を説明する。

S45C、SCM435の２トン鋼片をそれぞれ仕上圧延開始温
度、仕上圧延終了温度を変化させて圧延し、18mmφ線材
を製造した。圧延後500℃までの冷却速度は２℃／秒で
あった。

次にこれら種々の条件で圧延した線材を97％N₂雰囲気中
でA1点（S45℃:730℃、SCM435:745℃）まで加熱し、18
分間保持した後、大気放冷し、それぞれの線材について
組織を観察して炭化物の球状化の程度（球状化率）を測
定した。

結果を第５図および第６図に示す。

両図より、S45C、SCM435とも仕上圧延開始温度および仕
上圧延終了温度がともに本発明範囲内のものはすべて80
％以上の球状化率を有している。

次にS45Cについては、仕上圧延開始温度および終了温度
がそれぞれ665℃、805℃の線材、SCM435については同じ
く675℃、805℃の線材についてその後の97％N₂雰囲気中
で軟化熱処理の温度と時間を種々変化させて炭化物の球
状化率を測定した。結果を第７図および第８図に示す。

この両図より、S45C、SCM435とも本発明範囲の条件で処
理すれば80％以上の球状化率が得られることがわかる。

さらに第９図は上記S45C線材について、仕上圧延終了後
500℃までの冷却速度を変化させ、その後A1点で18分間
保持の軟化熱処理を行った場合の球状化率について示し
たものであるが、冷却速度が４℃／秒以上になると球状
化率は急激に低下することがわかる。

次に、第７図および第８図において、A1点で18分保持し
たS45C、SCM435と、通常圧延を行った後、第10図（ａ）
に示す従来の球状化焼鈍（徐冷タイプ）を施したS45C、
SCM435の軟化熱処理後の各特性と軟化熱処理時間を第１
表に示す。

第１表から明らかなように、本発明法によれば、熱処理
時間が従来法の1/4〜1/5に短縮されたにもかかわらず、
特性はむしろ向上している。

次に第５図および第６図の条件で圧延したS45C、SCM435
の18mmφ線材の代表的なものについて、圧延後の状態で
500mm長さに切断して、1000本のサンプルを作成し、７
日間放置して置き割れの発生率を測定した。さらに、97
％N₂雰囲気中でA1点（S45C:730℃、SCM435:745℃）に加
熱し、18分間保持した後、大気中で放冷し、それぞれの
硬さおよび表面脱炭層深さを測定した。

その結果を第２表にまとめて示す。なお表中、仕上圧延
−冷却後の組織欄の英記号等は、F:フェライト、P:パー
ライト、球C:球状セメンタイト、B:ベイナイト、M_S:マ
ルテンサイトを示す。

第２表において、実施No.1〜４、９〜12は本発明法にし
たがって製造した線材であり、実施No.5〜８、13〜16は
本発明範囲外の方法で製造した線材である。なお、これ
ら線材の巻取り温度はいずれもそれぞれの仕上圧延終了
温度以下でかつ仕上圧延終了温度−20℃以上の温度範囲
に入っている。

前記第１表および第２表から、本発明範囲の条件で製造
した線材は仕上圧延−冷却後の組織がいずれも急冷組織
（ベイナイト、マルテンサイト等）にはなっておらず、
軟化熱処理後の置き割れ発生率はいずれも０％であり、
かつ軟化熱処理後の表面脱炭層深さはいずれも0.04mm以
下である。また硬さもH_RB83.9以下と十分に低いことが
わかる。

一方、比較法によって製造された線材は軟化熱処理前の
置き割れ発生率、軟化熱処理後の脱炭層深さおよび硬さ
のいずれかが劣っていることもわかる。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明によれば、圧延後の棒・線材の表面
スケールを除去することなく、極めて短時間の熱処理
で、表層部の脱炭が生ぜず、圧延後の折損や置き割れも
生じず、十分軟化させることのできる軟化棒・線材の製
造方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は仕上圧延終了温度とスケール組成との関係図、
第２はスケール厚さとスケール剥離率との関係図、第３
図は仕上圧延終了温度とスケール厚さとの関係図、第４
図はN₂ガス含有率と線材表面脱炭層深さとの関係図、第
５図および第６図はそれぞれS45C、SCM435における、仕
上圧延開始温度と仕上圧延終了温度の球状化率に対する
効果を示した図、第７図および第８図はそれぞれS45C、
SCM435における、加熱温度と保持時間の球状化率に対す
る効果を示した図、第９図はS45Cにおける冷却速度と球
状化率との関係を示す図、第10図（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）は従来法における球状化焼鈍の代表的なヒートパ
ターンを示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】1.5％以下のＣを含有する鋼材を熱間圧延
   するに際し、仕上圧延開始温度を750℃以下、仕上圧延
   終了温度を850℃以下に制御し、その後0.5℃／秒以上、
   ４℃／秒未満の冷却速度で500℃まで冷却し、次いで室
   温まで冷却した後、製品表面のスケールを付着させたま
   ま、不活性ガスを90％以上含有する雰囲気中で、（A1点
   −50℃）以上、（A1点＋50℃）以下の温度になるまで加
   熱し、この温度範囲に10分間以上保持した後、大気中で
   放冷することにより、球状化組織を得ることを特徴とす
   る軟化棒・線材の製造方法。