JPS647139B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、例えばばね、PC（プレストレスト・
コンクリート用）鋼線、PC鋼より線等に使用さ
れる鋼線材を製造する際、熱間圧延された高温状
態にある鋼線材を冷媒により調整冷却し、主とし
て伸線加工性のすぐれた線材を得る、いわゆる直
接熱処理方法の改良に関するものである。

（背景技術） 鋼線材の直接熱処理方法の目的は、例えば熱間
圧延直後の鋼線材（以下、単に線材と称す）を適
切な冷却速度で、かつコイル全長をほぼ均一に冷
却し、その金属組織を微細なパーライト主体とな
らしめ、強度および伸線加工性を鉛パテンテイン
グ処理と同様にすることである。この線材を使用
することにより、線材径や製品品質仕様によつて
はパテンテイング工程が省略される。しかし従来
の直接熱処理方法では、例えばPC用等で、線材
径が大きく、かつ高強度を要求される場合には、
鉛パテンテイングに比べ抗張力が約10Kg／mm²低い
上に、強度のばらつきについても劣るので、鉛パ
テンテイングの省略が成されていない現状であ
る。

従来、線材の直接熱処理方法として種々の方法
が提案されているが、それぞれ次のような損失が
ある。

リング状コイルを水平コンベア上で展開した形
で強制空冷するステルマー法（特公昭42―15463
号）では、局所的急冷部がなく、かなり均質な線
材が得られるが、冷却力が弱く、強度不足であ
る。これは強風により或る程度強度は上昇する
が、リングの重なり部は効果なく、そのため不均
一を誘発する。

又線材をリング状コイルに成形し、温水中に巻
取るか（特公昭45―85336号）、又は水平コンベア
で移送しながら温水中に浸漬する（特公昭46―
8089号）温水中冷却方式では、沸騰水中冷却にお
いて均質な線材が得られるが、強度不足（鉛パテ
ンテイングより抗張力が10Kg／mm²低い）で、空気
を吹込んで強力に撹乱してもやはり抗張力が５〜
７Kg／mm²低い。又過冷沸騰冷却（水温、95℃以
下）では、強度は上昇するが、膜沸騰が不安定
で、高温でも核沸騰を誘発し、局所的急冷が発生
し、そのためマルテンサイト組織が発生し、不良
となる。

（発明の開示） 本発明は、上述の問題点を解決するため成され
たもので、過冷沸騰冷却においても核沸騰を誘発
せず、膜沸騰のみで必要、充分な冷却速度を得、
強度が鉛パテンテイングによるものと同等で、ば
らつきが少なく、均質で、かつ伸線加工性良好な
鋼線材を製造し得る直接熱処理方法を提供せんと
するものである。

本発明は、熱間圧延して金属組織がオーステナ
イトを呈する高温にある鋼線材のリング状コイル
を、水平に展開した形で連続的に移送しながら、
パーライト組織に変態させるように調整冷却して
直接熱処理する方法において、水平に展開した鋼
線材のリング状コイルを空気中にて３〜20秒間放
冷して表面を酸化せしめ、その後直ちに、空塔速
度が３〜20cm／秒、気体混相率が0.1〜0.35で、
かつ気泡中の酸素濃度Ｙ（％）が冷媒温度Ｘ℃と
した時、 Ｙ−１／３Ｘ＋35 である70〜95℃の間の所定の温度に保持され撹乱
状態の気水混相流体よりなる冷媒中に浸漬し、通
過させることを特徴とする鋼線材の直接熱処理方
法である。

本発明において高温にある鋼線材とは、炭素鋼
又はこれにNi，Cr，Ｖ，Mo，Ｗ等の合金元素の
少量を添加した合金鋼より成り、熱間圧延された
高温状態にある線材を意味し、合金組織がオース
テナテトを呈するものである。

本発明者等は、鉛パテンテイング並みの強度を
得るための所定の冷却速度を得、かつ核沸騰の誘
発を防止し、均一な冷却を与えるため、種々の表
面処理条件、冷媒の条件について検討した結果、
線材の表面を酸化させ、酸化性気泡を含む95℃以
下の気水混相流体からなる冷媒中に浸漬するこ
と、即ち表面化学処理と冷却処理を同時に行なう
ことにより、所期の目的を達成し得ることを見出
したものである。

以下、本発明を図面を用いて実施例により説明
する。

第１図、第２図は本発明方法の実施例に用いら
れる直接熱処理装置の例を示す図で、第１図は縦
断面図、第２図は横断面図である。図において、
１は高温圧延された鋼線材をレイイングヘツド
（図示せず）により所定のリング径に成形したリ
ング状コイル（以下、コイルと称す）で、コンベ
ア２により非同心連続リング状で移送され、空気
中で放冷される。

このコンベア２上でコイル１の表面は空気酸化
される。これは、次の冷媒中の浸漬時、表面酸化
皮膜により核沸騰の誘発を防止し、膜沸騰段階で
の冷却速度を向上させるためで、後述のように３
〜20秒が必要である。

予備空冷による表面酸化後、コイル１は熱処理
槽４中の水平コンベア３上に落下し、水平に展開
した形で移送される。熱処理槽４には気水混相流
体からなる冷媒５が収容され、これにコンベア３
上のコイル１が所定時間浸漬される。

冷媒５は強力な撹拌状態にあり、かつ温水中に
酸化性気泡６を多量に含有させて気水混合状態と
し、95℃以下70℃までの温度に保持されたもので
ある。酸化性気泡６としては、例えば酸素、酸素
富化空気、空気等の酸素を含む気体よりなるもの
が用いられる。

温水中に酸化性気泡６を多量に含有させるた
め、図では気体供給系７により、例えばエアー８
を温水の上部より吹きこんで気泡状にする。

なお、この気体の吹きこみは温水の底部又は側
部より行なつても良い。又熱処理槽４の外部で酸
化性気泡を多量に含有させた気水混相流体を作成
し、これを槽４の上部、側部又は底部より槽内に
供給しても良い。

かような冷媒５は複数台の撹拌機９により槽内
全体に亘つて強力に撹拌され、コイル１は強力な
撹拌状態にある気水混相流体で冷却されることに
より、所定の調整冷却を受ける。この場合の冷
媒、撹乱の条件については後述する。

又水平に展開された形のコイル１は、走行方向
に直角な方向の両端部は重なり具合が密となつて
おり、冷却速度を均一化するため、この部分の冷
却を優先的に強くするような方策が採られる。例
えばこの部分の撹拌を強くするか、又は気泡の含
有を多くする。

所定時間調整冷却されたコイル１は、例えば搬
出用の傾斜コンベア１０により冷媒５中より引き
上げられ、集束機（図示せず）に集束される。

次に本発明の方法における各種条件について次
のような実験を行なつた。

（実験例） 鋼線材試料としては11.0mmφのC0.8％，Si0.2
％，Mn0.7％のSWRH82B（JIS規格）の線材を用
い、950℃まで無酸化雰囲気で加熱後、空気中で
種々の時間放冷して空気酸化させた後、各種冷媒
中に浸漬し、調整冷却実験を行なつた。

(1) 冷媒として、(a)温水（従来法）および(b)気水
混相流体（冷媒温度95℃以下の場合は本発明
法、温水中に空気を吹きこんだもの。ただし冷
媒温度100℃では吹きこみなし。） 冷媒浸漬前の空気酸化時間を0.5秒以下、３
〜５秒、10秒、15秒とし、70〜100℃に保持さ
れた冷媒中に100秒間浸漬した後引げた。

各空気酸化時間のものの冷媒温度と処理後の
線材の引張強さの関係は第３図に示す通りであ
る。

第３図より次のことが分る。

(イ) 本発明の気水混相流体によるものは、温水
によるものに比べ強度が大きい。

(ロ) 気水混相流体では、空気酸化時間５秒以下
の場合、75℃以上で変態完了前に核沸騰が発
生せず、安定した膜沸騰が得られ、強度の高
い線材が得られ、80℃近辺で引張強さ125
Kg／mm²という鉛パテンテイング並みの強度が
得られ、又温度が低くなる程強度が上昇し、
その増加率は温水冷却より大きい。これに対
し、温水冷却では、空気酸化時間３秒以上の
場合、90℃以下で変態完了前に核沸騰を誘発
し、局所的急冷によるマルテンサイト組織が
発生し、強度が劣化し、又空気酸化時間0.5
秒以下では、稍々良く。80℃でもマルテンサ
イト組織が発生しない。

(ハ) 気水混相流体では、浸漬前の空気酸化時間
が長い程、強度の上昇が大きい。

これらの結果より、冷媒の温度は70〜95℃
が適当で、好ましくは75〜90℃である。70℃
未満では核沸騰が発生し易く、マルテンサイ
ト組織を生じて強度が劣化し、又95℃を越え
ると強度が不充分となる。又75℃未満では核
沸騰発生の恐れがあり、90℃を越えると鉛パ
テンテイング並みの強度が得られない。

又、冷媒浸漬前の空気酸化時間は３〜20秒
間が適当である。なおこの空気中放冷は、通
常圧延機を出てからコイル成形、冷媒浸漬ま
での間で行なわれるので、必ずしも放冷のた
めの装置（コンベア等）を設けなくても良
い。時間が20秒を越えると、強度上昇が飽和
すると共に、時間がかかり、不経済である。

(2) 空気酸化時間４秒の試料を、80℃に保持した
第１項と同じ冷媒(a)温水（従来法）および(b)気
水混相流体（本発明法）に浸漬し、冷却速度を
調査した。浸漬前の試料の温度は950℃とした。

浸漬経過時間と線材の温度の関係は第４図に
示す通りである。

第４図より、気水混相流体では、冷却が極め
て安定し、所期の冷却速度が得られ、かつ核沸
騰は常に500℃以下で発生するので問題ないこ
とが分る。これに対し、温水冷却では、冷却速
度はテスト毎に大きく変動し、再現性が小さ
い。これは核沸騰が起こり易く、その起こる温
度も一定しないことが観察される。

(3) 本発明における気水混相流体の特徴は、気泡
が時々刻々浮力により流体から脱出するため、
その物理的、化学的性質は空塔速度（気体の単
位時間、単位面積当りの通過容積）に影響され
るので、空塔速度が線材の強度に及ぼす影響に
ついて調査した。

冷媒として、(b)酸化性気体混入流体および(c)
窒素ガス混入流体（温水中に窒素ガスを吹き込
きこんだもの）を用い（ただし空塔速度０では
気体吹きこみなし）、82℃に保持した。空気酸
化時間４秒の試料を、空塔速度０〜10cm／sec
とした各冷媒中に100秒間浸漬、処理した。

空塔速度と線材の引張強さの関係は第５図に
示す通りである。

第５図より、本発明の(b)流体によるものは、
空塔速度が１cm／gsec以上になると膜沸騰が安
定するとともに、(c)流体によるものに比し、引
張強さが格段に高く、空塔速度が増すにつれて
引張さが増加することが分る。これは、空塔速
度が増すと撹乱が大きくなり、熱伝達係数が増
し、冷却速度が上がるためである。即ち、空塔
速度が十分に大きい場合には、線材周辺の水温
が常に設定温度に保持され、設定温度に対応し
た高引張強さの線材が得られる。これに対し、
空塔速度が小さくなると、線材周辺の温水の環
流が悪化、滞流するようになり、線材から供給
される熱流束により、水温が上昇する。このた
め線材の冷却速度が低下し、得られた線材の引
張強さも低下するものと考えられる。

これに対し、(c)流体によるものは、引張強さ
が極端に低い。これは核沸騰が発生し易く、異
常に冷却速度が大きくなつてマルテンサイト組
織を生じたためである。

これらの結果より、気水混相流体の空塔速度
は３〜20cm／秒が適当である。３cm／秒未満で
は強度向上効果が不足し、20cm／秒を越えると
「吹抜け」（気泡合体による単相化）が発生して
良くない。

(4) 気水混相流体(b)より成る冷媒を用い、機械撹
拌ありおよびなしの場合の空塔速度と、ガスホ
ールド、アツプ（気水混相率）および近似撹乱
強度の関係を示すと、第６図に示す通りであ
る。

第６図より、前述の必要空塔速度３〜20cm／
秒では気水混相率は0.1〜0.35であり、近似撹
乱強度は５〜７×10³erg／cm³である。

これらの範囲未満では強度向上効果が不足
し、範囲を越えると「吹抜け」が発生する。

(5) 気水混相流体(b)より成る冷媒を用い、冷媒温
度70〜100℃における酸素濃度および気泡膨張
率を調査した結果は第７図に示す通りである。

第７図より、酸化性気泡中の適当な酸素濃度
は冷媒温度75℃において10％以上、90℃におい
て５％以上である。この間の関係を式で表わす
と、酸素濃度をＹ％、冷媒温度をＸ℃とすれ
ば、 Ｙ−１／３Ｘ＋35 に近似される。

上式は次のとおり求めたものである。

(1) 空気中の飽和水蒸気分圧は温度Ｔ(K)とする
と、次の(1)式で表わされる。

Ｐ＝8.071×10⁵・exp（−5073／Ｔ） …(1) (2) 温水Ｔ（Ｋ）中に乾燥空気（To＝273K）を
吹き込んだ場合の気泡体積Ｖは次の(2)式で表わ
される。

Ｖ＝Ｔ／To（１−Ｐ）・Vo …(2) 但しVoは吹き込み空気体積 (3) 体積膨張によるO₂の希釈は空気中酸素濃度
Ｙを21％として次のとおり計算する。

Ｙ ＝21／（Ｖ／Vo） X₁＝70℃ Y₁＝21／1.807＝11.6％ X₂＝90℃ Y₂＝21／4.92＝4.27％ Ｙ ＝AX＋Ｂとして、 Ａ，Ｂを求めると、Ａ＝0.334、Ｂ＝34.98これ
から上記式が求まる。

気水混相流体よりなる冷媒を作るに当つて温水
中に空気を混入させた場合、直ちに水蒸気未飽和
気泡中に水蒸気が蒸発し、飽和する。その結果、
実効空塔速度、即ち撹乱力が大きくなる一方、酸
素濃度は希釈される。これは撹拌力や気泡混合率
には有利だが、酸化力には不利であるから、空気
を温水中に混入させる際、必要により酸素濃度を
上げるには、上式により酸素ガスを混入すればよ
い。実際結果では上述の範囲で所定の膜沸騰が安
定して得られた。

次に、線材の冷却速度は、上述の実験例(1)、(3)
〜(5)で得た必要条件を適切に組合せ、第４図に示
すように線材温度900〜650℃の範囲で15〜25℃／
秒、変態が終了した後630〜500℃の範囲で10〜15
℃／秒に制御されることが好ましい。900〜650℃
の範囲で15℃／秒未満では、変態温度が高温にず
れ、強度不足となり、25℃／秒を越えると、変態
温度が低温にずれ、場合によりパーライト変態で
なく一部マルテンサイト変態が生じて良くない。
又630〜500℃の範囲で10℃／秒未満では未変態オ
ーステナイトが余り微細でないパーライト組織に
変態し、強度不足となり、20℃／秒を越えると通
常問題はないが偏析のある材料ではマルテンサイ
ト組織が発生し易く、良くない。なお、合金元素
を添加した線材では、鋼の焼入性が大きくなり、
上述の条件は低冷却速度側にずれる。

又パーライト変態は600℃付近で始まり、この
時２〜3Kcal／Kgsecの割合で冷却しなければな
らない。2Kcal／Kgsec未満では変態温度が高温
まで上昇し、強度不足となり、3Kcal／Kgsecを
越えると変態温度が低温にずれ、マルテンサイト
変態を誘発し易い。

上述の実験例より得た本発明方法において好ま
しい条件は、線材の鋼種、サイズ、コイルサイ
ズ、線速、冷媒の容量、酸化性気体の種類、槽の
長さ等により左右されるので、それらに応じ適当
に選択される。

（実施例） 熱間圧延された11.0mmφのC0.82％、Mn0.72
％、Si0.22％のSWRH82B（JIS規格）の鋼線材を
第１図、第２図に示す装置を用いて本発明方法に
より直接熱処理を施した。

線材の圧延速度は9m／秒、圧延直後の線材温
度は920℃で、リング径1050mmのコイルに成形し
た。冷媒として温水に空気を吹きこんだ気水混相
流体を用い、82℃の温度に保持し、空塔速度は10
cm／秒、気体混合率は約0.2であつた。

線材温度920℃より850℃まで水冷ノズルにより
全長均等に予備冷却し、約10秒間空気酸化した
後、熱処理槽４に浸漬し、約25秒処理した後槽４
より引上げ、直接熱処理を施した。

比較のため、同じ熱間圧延線材を98℃に保持さ
れた温水に浸漬冷却し、従来法による直接熱処理
を施した。得られたコイルを長さ40cm毎に連続し
てサンプリングし、引張強さを測定した。

本発明方法および従来法による引張強さの分布
は第８図に示す通りである。

第８図より本発明によるものは、鉛パテンテイ
ング並みの平均125.9Kg／mm²の引張強さが得られ、
正規分布を示すことが分る。

これに対し、従来法によるものは引張強さが約
11Kg／mm²低い。

（発明の効果） 上述のように構成された本発明の鋼線材の直接
熱処理方法は次のような効果がある。

(イ) 調整冷却が、強力な撹拌状態にあり、かつ酸
化性気泡を多量に含有する95℃以下の温度に保
持された気水混相流体からなる冷媒中に前記鋼
線材を浸漬通過せしめて行なわれるから、圧延
直後の空気中露出又は空気中放冷および冷媒中
の酸化性気泡により線材表面が酸化されて酸化
皮膜が形成された状態で、酸化性気泡を含む気
水混相流体に浸漬されるため、過冷沸騰冷却に
おいても核沸騰を誘発せず、所期の冷却速度が
極めて安定して得られるので、鉛パテンテイン
グ並みの強度で、ばらつきが少なく、かつ伸線
加工性のすぐれた鋼線材を製造し得る。

(ロ) 酸化性気泡を多量に含む気水混相流体を用い
ることにより、水蒸気未飽和の気体を大量に混
入させると、平衡蒸気圧に向つて大量の水蒸気
が気泡中に蒸発し、その結果冷媒の温度が下が
るため、冷媒が自己冷却性を保有し、これを冷
媒温度制御に効果的に利用することができるの
で、冷媒の温度保持が経済的にできる。なおこ
の冷却能は線材の処理能力（Ｔ／時）と冷媒の
温度の比により容易に計算できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明方法の実施例に用
いられる直接熱処理装置の例を示す図で、第１図
は縦断面図、第２図は横断面図である。第３図〜
第７図は本発明の実験例において得られた結果を
示す図で、第３図は各空気酸化時間のものの冷媒
温度と処理後の線材の引張強さの関係を、第４図
は各種冷媒における冷却曲線を、第５図は各種冷
媒の空塔速度と線材の引張強さの関係を、第６図
は冷媒の空塔速度と気体混相率の関係を、第７図
は冷媒温度70〜100℃における酸素濃度および気
泡膨張率を示す。第８図は本発明方法の実施例お
よび従来法により製造された鋼線材の引張強さ分
布を示す図である。 １…リング状コイル、２，３，１０…コンベ
ア、４…熱処理槽、５…冷媒、６…酸化性気泡、
７…気体供給系、８…エアー、９…撹拌機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱間圧延されて金属組織がオーステナイトを
   呈する高温にある鋼線材のリング状コイルを、水
   平に展開した形で連続的に移送しながらパーライ
   ト組織に変態させるように調整冷却して直接熱処
   理する方法において、水平に展開した鋼線材のリ
   ング状コイルを空気中にて３〜20秒間放冷して表
   面を酸化せしめ、その後直ちに、空塔速度が３〜
   20cm／秒、気体混相率0.1〜0.35、かつ気泡中の
   酸素濃度Ｙ（％）が冷媒温度Ｘ℃とした時、 Ｙ―１／３Ｘ＋35 である70〜95℃の間の所定の温度に保持された撹
   乱状態の気水混相流体よりなる冷媒中に浸漬し、
   通過させることを特徴とする鋼線材の直接熱処理
   方法。 ２ 調整冷却が、鋼線材の冷却速度を、900〜650
   ℃の範囲で15〜25℃／秒、変態がほぼ終了した後
   630〜500℃の範囲で10〜15℃／秒に制御して行な
   われることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の鋼線材の直接熱処理方法。