(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）巻出し機により炭素工具鋼鋼帯を巻出す巻出し工程と、
（２）前記巻出し工程により巻き出された炭素工具鋼鋼帯を通板させながら誘導加熱により予熱する予熱工程と、
（３）前記予熱工程により予熱された炭素工具鋼鋼帯を８５０℃を超え１１００℃以下に加熱された不活性ガス雰囲気中に通板し、次いで急冷して焼入れする焼入れ工程と、
（４）前記焼入れ工程により焼入れした炭素工具鋼鋼帯を３００〜４５０℃に加熱された不活性ガス雰囲気中に通板して焼戻しする焼戻し工程と、
（５）前記焼戻し工程により焼戻した炭素工具鋼鋼帯を巻取る巻取り工程と、
を連続して行う炭素工具鋼鋼帯の製造方法において、
前記焼入れ工程の急冷は、Ｍｓ点を超えて３５０℃以下に冷却する第一冷却工程の後、複数個の水冷定盤で炭素工具鋼鋼帯を拘束しつつＭｓ点以下に冷却する第二冷却工程を設けることを特徴とする炭素工具鋼鋼帯の製造方法。
【請求項２】
前記予熱工程の温度が６００〜７５０℃であることを特徴とする請求項１に記載の炭素工具鋼鋼帯の製造方法。
【請求項３】
前記焼戻し工程と前記巻取り工程の間に、更に、焼戻した炭素工具鋼鋼帯表面を研磨する研磨工程を設けることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の炭素工具鋼鋼帯の製造方法。
【請求項４】
前記予熱工程において、誘導加熱は誘導加熱コイルの内側にセラミックス管を配置した前記焼入れ工程と同一雰囲気中の誘導加熱帯により、行うことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の炭素工具鋼鋼帯の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素工具鋼鋼帯の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、バネや弁等に用いるのに適した炭素工具鋼の鋼帯（以下「炭素工具鋼鋼帯」という。）は、一般に、所定の板厚まで圧延を行った後、予熱帯と加熱帯を有する焼入れ炉、噴霧装置、水冷定盤および焼戻し炉をこの順番で連続的に配置した連続加熱設備を利用して、炭素工具鋼鋼帯を巻出しながら連続的に焼入れと焼戻しを行う方法により製造されている。
前述の炭素工具鋼鋼帯に連続加熱設備を利用して焼入れ焼戻しを行う具体的な製造方法には、例えば、本出願人による特開昭５６−１３９６２７号公報（特許文献１）に記載された製造方法がある。この製造方法は、焼入れ炉を出た炭素工具鋼鋼帯を急冷し焼入を行なう場合に、炭素工具鋼鋼帯のきず及び歪の発生を防止し、焼入後の硬さのばらつきを少なくすることができるものである。
このような連続加熱設備には、熱源として天然ガス、軽油、重油等をバーナで燃焼させた燃焼熱を利用するものや、電気ヒーター等の通電加熱により発生した熱を利用するものなどがある。いずれの場合も、炭素工具鋼鋼帯は、これらの熱源からの輻射熱により加熱されるのであり、炭素工具鋼鋼帯への伝熱は主として輻射加熱によるものであった。
また、従来技術に係る連続加熱設備のうち、焼入れ炉は、一般に炭素工具鋼鋼帯が通板される部分に複数の均熱帯を連続的に設けた構成となっている。均熱帯の一般的な構成としては、例えば、炭素工具鋼鋼帯を一定の温度まで予熱する予熱帯と、炭素工具鋼鋼帯の所定の焼入れ温度に保持する１または２以上の加熱帯とからなっている。このような構成により、初めに常温で巻き出され、焼入れ炉に通板された炭素工具鋼鋼帯を、焼入れ温度まで昇温させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５６−１３９６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らは上述した特許文献１に記載された連続加熱設備を用いて、炭素工具鋼鋼帯への熱処理能力を向上させ、生産能力を向上させる方法を検討した。
単位時間あたりの熱処理能力を向上させるには、例えば、焼入れ炉の長さを延長すると共に通板速度を早くする方法など、が考えられる。
しかしながら、従来の輻射加熱では、焼入れ炉を構成する複数の均熱帯のうち予熱帯の温度域における炭素工具鋼鋼帯の昇温速度が遅いために、熱処理能力の向上には十分な効果が得られないという問題がある。また、輻射加熱だと、上記の温度域における炭素工具鋼鋼帯の昇温速度その他の温度条件を任意の条件に制御することが容易ではないという問題もある。
本発明の目的は、炭素工具鋼鋼帯を製造するにあたり、温度制御を容易とし、熱処理能力を向上させることができる炭素工具鋼鋼帯の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものである。
すなわち本発明は、
（１）巻出し機により炭素工具鋼鋼帯を巻出す巻出し工程と、
（２）前記巻出し工程により巻き出された炭素工具鋼鋼帯を通板させながら誘導加熱により予熱する予熱工程と、
（３）前記予熱工程により予熱された炭素工具鋼鋼帯を８５０℃を超え１１００℃以下に加熱された不活性ガス雰囲気中に通板し、次いで急冷して焼入れする焼入れ工程と、
（４）前記焼入れ工程により焼入れした炭素工具鋼鋼帯を３００〜４５０℃に加熱された不活性ガス雰囲気中に通板して焼戻しする焼戻し工程と、
（５）前記焼戻し工程により焼戻した炭素工具鋼鋼帯を巻取る巻取り工程と、
を連続して行う炭素工具鋼鋼帯の製造方法である。【０００６】
好ましくは、前記予熱工程の温度が６００〜７５０℃である炭素工具鋼鋼帯の製造方法である。
また、本発明では、前記の焼入れ工程の急冷は、２００〜３５０℃に冷却する第一冷却工程の後、水冷定盤内で炭素工具鋼鋼帯を拘束しつつＭｓ点以下に冷却する第二冷却工程を設けることが好ましく、更に好ましくは、前記第二冷却工程において、炭素工具鋼鋼帯を拘束する前記水冷定盤を複数個とすることが好ましい。
また、本発明では、前記焼戻し工程と前記巻取り工程の間に、更に焼戻した炭素工具鋼鋼帯表面を研磨する研磨工程を設けることが好ましい。
前記予熱工程において、誘導加熱は誘導加熱コイルの内側にセラミックス管を配置した前記焼入れ工程と同一雰囲気中の誘導加熱帯により、行うことが好ましい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、誘導加熱を利用した予熱炉によって炭素工具鋼鋼帯を急速加熱できることから、温度制御が容易となり優れた熱処理能力が得られ、更に、加熱時間が短縮され、熱処理能力が向上することで生産性も大きく向上させることができる。また、予熱炉、加熱炉を不活性ガス雰囲気とすることで確実に脱炭を防止し、所望の硬さをより確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の連続加熱設備の構成の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の予熱炉の構成の一例を示す模式図である。
【図３】炭素工具鋼鋼帯の加熱時間と昇温した炭素工具鋼鋼帯の温度の関係を示す図である。
【図４】本発明の製造方法を適用した炭素工具鋼鋼帯の断面顕微鏡写真である。
【図５】比較例の製造方法を適用した炭素工具鋼鋼帯の断面顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の製造方法の特徴は、炭素工具鋼鋼帯を焼入れ温度にまで昇温する際に、焼入れ炉の予熱帯のみによって昇温を行うのではなく、焼入れ炉の前に誘導加熱を利用した予熱炉を設置し、この予熱炉により昇温を行うことにより、炭素工具鋼鋼帯を急速加熱できることである。また、焼入れと焼戻し時の雰囲気を不活性ガス雰囲気とすることで脱炭を発生させることなく所望の硬さを得ることができる。
以下、本発明について説明する。
先ず、本発明で用いる炭素工具鋼鋼帯は、ＪＩＳ−Ｇ−３３１１（みがき特殊帯鋼）で規定される炭素工具鋼の組成を有するものであればよい。好ましい組成は、質量％でＣ：０．８〜１．２％、Ｓｉ：０．１〜０．３５％、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％を含有し、残部はＦｅ及び不純物である。
【００１０】
図１に本発明で用いる連続加熱設備のレイアウトの一例を示す。図１を示しながら本発明を説明する。
焼入れと焼戻しを連続で行うための炭素工具鋼鋼帯２を巻出し機１により巻き出す（巻出し工程）。続いて、巻き出された炭素工具鋼鋼帯２は、誘導加熱を利用した予熱炉３に通板される（予熱工程）。
本発明において誘導加熱を利用した予熱炉によって予熱を行う理由は、交番磁束によって炭素工具鋼鋼帯２に誘起される渦電流のジュール熱によって炭素工具鋼鋼帯２が自ら発熱するので、輻射加熱により加熱する場合に比べて急速に加熱することが可能となるためである。誘導加熱の方法としては、例えば、ソレノイド方式とトランスバース方式等があるが、本発明の場合では、ソレノイド方式とするのが好ましい。これは、ソレノイド方式の場合、炭素工具鋼鋼帯２のＡｃ１点を利用して、炭素工具鋼鋼帯の温度制御を容易とし、炭素工具鋼鋼帯を均一に加熱しやすいためである。
この予熱工程での予熱温度の下限は６００℃以上の範囲が好ましい。これは、炭素工具鋼鋼帯の予熱温度が６００℃未満であると、予熱工程の後に行う焼入れ温度まで炭素工具鋼鋼帯を加熱することが困難となる場合があるからである。そうなると、十分な焼入れ硬さを得ることができなくなる。また、予熱温度の上限は７５０℃とするのが好ましい。これは、高周波加熱によって７５０℃を超える温度に急速加熱する炭素工具鋼鋼帯の変形のおそれがあるためである。また、７５０℃付近の炭素工具鋼鋼帯のＡｃ１点の温度を超えることにより金属組織がフェライトからオーステナイトに変態する。オーステナイトは非磁性であり、ソレノイド方式の高周波加熱ではＡｃ１点の温度以上で加熱効率が低下して過熱が防止されるため、予熱工程における炭素工具鋼鋼帯の温度制御を行うのに好都合である。
また、予熱炉内では炭素工具鋼鋼帯表面の脱炭を防止するために後述する焼入れ工程と同一な不活性ガス雰囲気とし、誘導加熱コイル１０の内側には雰囲気を保つためにセラミックス管１１を配置して、炭素工具鋼鋼帯２を前記セラミックス管１１内を通板させることが好ましい。セラミックス管１１は非磁性体であり、誘導加熱が生じないため、電力をロスすることなく効率的に炭素工具鋼鋼帯を誘導加熱することができる。セラミックス管は放熱による熱損失を低減するために、セラミックス管を断熱材で被覆することが好ましい。
なお、予熱工程における通板速度が過度に速すぎると、上述した予熱効果が得られない。そのため、通板速度を調整し、炭素工具鋼鋼帯のある部位が予熱炉を通過するのに要する時間を０.８〜３秒の範囲となるように通板させるのが好ましい。
【００１１】
上述の予熱工程の後、炭素工具鋼鋼帯２は脱炭を防ぐために不活性ガス雰囲気とした焼入れ加熱炉４に通板し、８５０℃を超え１１００℃以下に昇温保持する（焼入れ工程）。好適な不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、アンモニア分解ガス等があるが、中でも窒素は入手のし易さや安価であることから窒素ガスを用いるのが好ましい。
本発明において、焼入れ加熱温度が８５０℃以下であると炭化物の固溶が不十分となって疲労特性が低減する。また、焼入れ加熱温度が１１００℃を超えると炭化物の固溶量が多くなり、焼戻し時に硬さが高くなりにくくなるばかりか、残留炭化物が少なくなり、打抜き性が劣化する。そのため、焼入れ加熱温度の範囲を８５０℃を超え１１００℃以下とする。
なお、焼入れ工程における通板速度が過度に速すぎると、上述した焼入れ時の加熱温度の効果が得られない。そのため、通板速度を調整し、炭素工具鋼鋼帯のある部位が焼入れ炉を追加するのに要する時間を３５〜９０秒の範囲となるように通板させるのが好ましい。
続いて、炭素工具鋼鋼帯２を急冷して焼入れを行う。急冷の方法としては、ソルトバス、溶融金属を用いる方法もあるが、水を噴射する方法を用いるのが最も簡便な方法であると共に、炭素工具鋼鋼帯表面に薄い酸化被膜を形成させることができる。この薄い酸化被膜は硬質であり、後述する水冷定盤６を通板する際に、炭素工具鋼鋼帯表面のきずの発生を抑制できる。そのため、本発明で用いる炭素工具鋼鋼帯２への急冷も水を噴射する方法を用いるのが好ましい。
【００１２】
本発明で前述の水を噴射して急冷するには、焼入れ炉４の出側に設置された噴霧装置５を設けるのが好ましい。
また、焼入れ工程の急冷は、圧縮空気と浄水を用いた噴霧装置５によって炭素工具鋼鋼帯２を２００〜３５０℃に冷却する第一冷却工程の後、炭素工具鋼鋼帯を挟みこむように水冷定盤内６で拘束し、形状を矯正しながらＭｓ点以下に冷却する第二冷却工程を行ってマルテンサイト組織とするのが好ましい。
冷却を二段階とするのは、第一冷却工程でパーライトノーズを避けつつ、且つ、炭素工具鋼鋼帯２の焼入れ時に生じる歪を軽減し、次の第二冷却工程中でマルテンサイト変態を行わせつつ、炭素工具鋼鋼帯２の形状を整えることができるためである。
前述の第一冷却工程において、炭素工具鋼鋼帯２の急冷の下限をＭｓ点を超える温度としたのは、炭素工具鋼鋼帯２の焼入れ時に生じる歪を軽減させるためである。これは、第一の冷却工程で一気にＭｓ点以下とすると、焼入れ時の歪が大きくなり過ぎて形状が不安定になる場合があるためである。なお、炭素工具鋼鋼帯の組成によっても若干Ｍｓ点は変化するが、おおよそ１８０〜１９０℃である。好ましい第一冷却工程の冷却温度の下限はＭｓ点よりも１０〜２０℃高めの温度とすると良い。また、第一冷却工程の冷却温度の上限を３５０℃としたのは、３５０℃を超える温度となると、後述する水冷定盤内でＭｓ点以下まで冷却するのが困難となる場合があるためである。伝熱には熱伝導、熱対流、輻射熱の３つの形態があるが、水冷定盤中６で炭素工具鋼鋼帯２を拘束しつつＭｓ点以下に冷却を行うと、水冷定盤内で水冷定盤６と炭素工具鋼鋼帯２との物理的接触による熱伝導により急速に冷却される。そして、炭素工具鋼鋼帯２を水冷定盤６によって拘束することが可能となるため、炭素工具鋼鋼帯２の変形を防止したり、変形を矯正できるためである。
本発明で用いる水冷定盤６は水により冷却しつつ、更に、複数個を連続して配置することが好ましい。これは、水冷定盤内で拘束する時間が長くすることができるため、より確実にＭｓ点以下まで冷却することができるため、炭素工具鋼鋼帯２の変形の防止や矯正をより確実に行うことができるためである。
【００１３】
前述の焼入れ工程に続き、炭素工具鋼鋼帯２を３００〜４５０℃に加熱して、不活性ガス雰囲気の焼戻し炉７に通板して焼戻しを行う。不活性ガス雰囲気とするのは炭素工具鋼鋼帯の脱炭を防ぐためである。
本発明において、焼戻しの温度が３００℃未満であると、硬度が高くなり過ぎる。一方、焼戻しの温度が４５０℃より高いと硬度が低くなる。
従って焼戻し温度が高過ぎても、低過ぎても適切な硬さを得ることができず、打抜き性が阻害されることになる。なお、焼戻しで調整する硬さはビッカース硬度が５００〜６５０（Ｈｖ）とすれば、良好な打抜き性を得ることができる。
なお、焼戻し工程における通板速度が過度に速すぎると、上述した焼戻し時の加熱温度の効果が得られない。そのため、通板速度を調整し、炭素工具鋼鋼帯が焼戻し炉を通過するのに要する時間を５０〜１２５秒の範囲となるように通板させるのが好ましい。
【００１４】
前述の焼戻し工程により焼戻した炭素工具鋼鋼帯２は、焼戻し炉７の下流側に配置された研磨装置８によって、炭素工具鋼鋼帯表面を研磨するのが好ましい。
これは、前述したように、焼入れ時に形成された酸化被膜を除去するほか、表面に不可避的に付いたきずを除去または軽減することで、表面のきずに起因した疲労破壊を防止することができる。
その後、巻取り機９によって巻取る（巻取り工程）ことにより、脱炭を発生させることなく所望の硬さを有する炭素工具鋼鋼帯を得ることができる。
本発明では、前述したように、巻出し工程から巻取り工程までの各工程をコイルから巻き出した炭素工具鋼鋼帯を再びコイルに巻き取るまでを連続で行うことが可能なため、高い生産性を有するものである。これに加え、誘導加熱を利用した予熱炉によって、炭素工具鋼鋼帯を急速加熱できることから、優れた熱処理能力を付与し、更に、加熱時間を短縮し、処理能力を向上させることで生産性も大きく向上させることができる。
【実施例】
【００１５】
先ず、予熱炉の効果を確認するため、表１に示す厚さが０．３ｍｍの炭素工具鋼鋼帯を使用して、予熱を行った場合（本発明例）と予熱を行わなかった場合（比較例）について、焼入れ炉の保持温度を９００℃としたときの炭素工具鋼鋼帯の温度上昇曲線を測定した。その結果を図３に示す。なお、予熱炉で用いた誘導加熱の方法は、ソレノイド方式によるものである。
図３の結果から、予熱を行った本発明の温度上昇曲線を見ると、２秒以内で６００℃以上まで昇温できていることが分かる。また、予熱を行った場合は、炭素工具鋼鋼帯が９００℃に達する時間は７５秒であるのに対し、予熱を行わなかった場合は１００秒の時間を要することから、本発明の製造方法によれば大幅に加熱時間の短縮が行えることが分かった。
次に、実際に図１に示す連続加熱設備を用いて、炭素工具鋼鋼帯を連続して焼入れ、焼戻しした。このとき、本発明例では予熱炉３を稼働させ、比較例（従来例）では予熱なしとした。また、前記の予備実験結果をもとに、通板速度は本発明例が７ｍ／分とし、比較例を５ｍ／分とした。焼入れ温度、焼戻し温度、冷却速度は本発明と比較例ともに同じとした。【００１６】
厚さが０．３ｍｍ、長さが約１５００ｍの表１に示す炭素工具鋼鋼帯を用意した。用意した炭素工具鋼鋼帯を焼入れ、焼戻しする連続焼入れ焼戻し炉は図１に示す構造のものであり、予熱炉３は図２に示す構造のものである。具体的には、
焼入れと焼戻しを連続で行うための炭素工具鋼鋼帯２を巻出し機１により巻き出して、続いて、
巻き出された炭素工具鋼鋼帯２は、焼入れ加熱炉４と同じ窒素ガス雰囲気とし、誘導加熱コイル１０の内側には雰囲気を保つためにセラミックス管１１を配置した温度制御が容易なソレノイド方式の誘導加熱装置による誘導加熱により予熱された予熱炉３に通板させ、本発明の炭素工具鋼鋼帯を６５０〜７００℃に昇温させた。続いて、
炭素工具鋼鋼帯２を表２に示す焼入れ温度に昇温保持し、窒素ガス雰囲気とした焼入れ加熱炉４中を通板させ、続いて、
焼入れ炉４の出側に設置された噴霧装置５により、炭素工具鋼鋼帯２に水を噴射して最初の冷却を行った。炭素工具鋼鋼帯の温度は２５０℃程度あった。更に、炭素工具鋼鋼帯２を挟みこむように設置された４個の冷却定盤内６で拘束して炭素工具鋼鋼帯２を約１４０℃まで急冷して焼入れを行い、続いて、
炭素工具鋼鋼帯２の脱炭を防ぐために窒素ガス雰囲気とした焼戻し炉７に通板して４００℃で焼戻しを行い、焼戻し炉７の下流側に配置された研磨装置８によって、炭素工具鋼鋼帯表面を研磨して、巻取り機９によって炭素工具鋼鋼帯２を巻取る構造を有するものである。
今回行った予熱温度、焼入れ温度を併せて表２に示す。なお、本発明の製造方法を適用した際の予熱工程、焼入れ工程、焼戻し工程の時間は、それぞれ２．５秒、７０秒、９５秒であった。【００１７】
【表１】
0005534492.tif 000002
【００１８】
【表２】
0005534492.tif 000003
【００１９】
焼入れと焼戻しを行った炭素工具鋼鋼帯から、脱炭の有無、硬さ、金属組織を調査するため、それぞれの試験片を採取した。代表的な金属組織として、本発明例１、比較例の顕微鏡写真を図４及び図５に示す。
図４（本発明例１）及び図５（比較例）の金属組織は、マルテンサイトの基地に白色の微細炭化物が認められ、両者ともに遜色のないものであった。脱炭の有無、硬さ、結晶粒度の結果は併せて表３に示す。なお、結晶粒度は旧オーステナイト粒をＪＩＳ０５５１に従って測定したものである。【００２０】
【表３】
0005534492.tif 000004
【００２１】
以上の結果から、本発明では、従来から実施されていた連続焼入れ、焼戻しを行った炭素工具鋼鋼帯が有する各種の特性を維持していることが分かる。また、今回の実施例では、本発明を適用した場合の所要時間は約２１４分であるのに対し、比較例では約３００分であった。
従って、誘導加熱を利用した予熱炉によって、炭素工具鋼鋼帯を急速加熱できることから、優れた熱処理能力を付与し、更に、通板速度を高めることで加熱時間を短縮し、処理能力を向上させることで生産性も大きく向上させることができるものである。
【符号の説明】
【００２２】
１    巻出し機
２    炭素工具鋼鋼帯
３    予熱炉
４    焼入れ炉
５    噴霧装置
６    水冷定盤
７    焼戻し炉
８    研磨装置
９    巻取り機
１０  誘導加熱コイル
１１  セラミックス管
【図１】
0005534492.tif 000005
【図２】
0005534492.tif 000006
【図３】
0005534492.tif 000007
【図４】
0005534492.tif 000008
【図５】
0005534492.tif 000009