(57)【要約】【課題】  工具鋼を熱間加工して製品を製造する際に、低温焼鈍工程を省略することができる鋼材の製造方法を提供する。【解決手段】  分塊圧延工程までが終了している鋼片をその鋼種のＡｃ変態点より低い温度にまで加熱し、その温度を加工開始温度としてその鋼材を塑性加工し、ついで、得られた加工材を球状化焼鈍する鋼材の製造方法。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
分塊圧延工程までが終了している鋼片をその鋼種のＡｃ変態点より低い温度にまで加熱し、その温度を加工開始温度として前記鋼材を塑性加工し、ついで、得られた加工材を球状化焼鈍することを特徴とする鋼材の製造方法。
【請求項２】
前記加工開始温度を７００〜８００℃とし、かつ加工終了温度を低くても６００℃までとする請求項１の鋼材の製造方法。
【請求項３】
前記鋼種が工具鋼である請求項１または２の鋼材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は鋼材の製造方法に関し、更に詳しくは、被削性が優れている工具鋼の鋼材を、高い良品率で、従来に比べて少ない熱エネルギーコストで製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工具鋼を用いた各種の鋼材は、通常、次のような工程を経由して製造されている。
まず、例えばレードルファーネス法により、取鍋内に装入された原料を溶解・精錬して溶鋼を溶製し、その溶鋼を鋳型に注入したのち、冷却・凝固して、所定組成の鋼種からなる鋼塊が製造される（鋳造工程）。
ついで、この鋼塊を均熱炉に装入して所定の温度で所定時間保持することにより、偏析などが発生している鋼塊の鋳造組織を均質な組織にする（均熱工程）。
【０００３】
そして、均熱炉から鋼塊を抽出し、例えば往復圧延とエッジングを行って分塊圧延し、所定形状の鋼片にする（分塊圧延工程）。
この分塊圧延工程が終了した時点で、得られた鋼片の温度は均熱炉から抽出されたときの温度よりも大幅に低下している。
ついで、得られた鋼片を製品形状に仕上げるための塑性加工が行われる（仕上げ加工工程）。
【０００４】
この仕上げ加工では、加工対象の鋼片の変形抵抗を下げて加工性を確保するために、熱間圧延または熱間鍛造が実施される。その場合の加工温度は、その鋼片の鋼種のＡｃ変態点以上の温度（オーステナイト温度域）に設定されている。
熱間加工性を確保するために、通常は、分塊圧延工程を終了した鋼片を、一旦、加熱炉でＡｃ変態点以上のある温度にまで加熱したのち加熱炉から抽出し、ついで加工装置に導入している。このとき、鋼片の加熱温度と加工温度は、いずれも、Ａｃ変態点以上の温度であるが、加工装置への導入の過程で抽出鋼片は冷却するので、両者の温度の間では、加工温度の方が低温になる。
【０００５】
一般に加工温度は１１００℃近辺に設定されている。しかし熱間加工が進むにつれて、鋼片の温度は装置入口から装置出口にかけて低下していき、鋼片の変形抵抗が大きくなる。通常、装置出口における加工終了温度が８００℃以上となるような熱間加工が行われる。
仕上げ加工を終了し、製品形状に賦形された加工材に対しては、次に低温焼鈍が行われる（低温焼鈍工程）。
【０００６】
これは、加工材をそのまま空冷すると、表層部と中心部の温度差により、相変態に伴う膨張や熱収縮に基因して表層部に割れやクラックが発生して、製品が不良品化することを防止するためである。
この低温焼鈍は、仕上げ加工後の加工材を例えばピット徐冷したり、または、Ａｃ変態点より低い温度で短時間加熱したのち灰冷もしくは炉冷して行われる。
【０００７】
そして最後に、球状化焼鈍を行って、基地（マトリックス）の中に２次炭化物を析出させることにより、製品の靭性向上と被削性の向上が図られる（球状化焼鈍工程）。
具体的には、低温焼鈍工程を終了した加工材を、例えばＡｃ変態点より若干高い温度で所定時間加熱したのち、所定の冷却速度で６００〜７００℃程度の温度域まで例えば炉冷する。
【０００８】
このように、工具鋼の製品の製造に際しては、鋳造工程−均熱工程−分解圧延工程−高温の仕上げ加工工程−低温焼鈍工程−球状化焼鈍工程という一連の工程が組み立てられる。
この全工程は上記した各工程を時間的に連続した一貫工程として組み立てられることが通例であるが、分塊圧延工程までの製品を中間材としてストックし、機会をみてこの中間材に対して仕上げ加工工程以降の工程を連続して適用することもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記した従来の製造方法の場合、製品の良品率を高めるためには、仕上げ加工工程と球状化焼鈍工程の間に低温焼鈍工程を介在させることが不可欠である。すなわち、この低温焼鈍工程を省略することはできない。
しかしながら、この低温焼鈍工程は、仕上げ加工工程を終了した加工材が冷えきらないうちに実施することが必要であり、したがって、その実施に際しては時間的な制約を受けることになり、製造ラインの生産性を低下させる要因になっている。
【００１０】
本発明の目的は、製品の良品率向上にとっては不可欠であるが、しかし実際の製造ラインでは生産性の低下要因でもある低温焼鈍工程を全体の工程から省略することができる新規な鋼材の製造方法を提供することである。
また、本発明は、全体の工程から低温焼鈍工程を省略したにもかかわらず、製品の良品率は高く、製品は軟質になって従来と同等またはそれ以上の被削性を発現させることができる鋼材の製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を達成するために、本発明においては、
分塊圧延工程までが終了している鋼片をその鋼種のＡｃ変態点より低い温度にまで過熱し、その温度を加工開始温度として前記鋼材を塑性加工し、ついで、得られた加工材を球状化焼鈍することを特徴とする鋼材の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
理由は明確ではないが、本発明のように、例えば室温からＡｃ変態点よりも低温の加工温度まで加熱し、その温度で塑性加工を開始したときの鋼片の変形抵抗は、従来の場合のように、一旦加熱炉でＡｃ変態点以上の温度まで加熱したのち、若干低温ではあるがやはりＡｃ変態点以上の温度で塑性加工したときの変形抵抗よりも小さくなる。
すなわち、本発明の場合は、Ａｃ変態点より低い温度であっても塑性加工が可能であり、しかも、得られた加工材の冷却時には相変態に伴う膨張が起こらず、また表層部と中心部の温度差も小さいので熱収縮も小さくなり、表層部における割れやクラックの発生が抑制される。
【００１３】
したがって、従来のように加工材に低温焼鈍を行わなくても、割れやクラックの発生していない良品を得ることができる。
すなわち、本発明によれば、従来は不可欠であった低温焼鈍工程を全体の製造ラインから省略しても製品の高い良品率を確保することができる。このことは、仕上げ加工後の加工材が冷えきらないうちに低温焼鈍しなければならないことに基づく従来の製造ラインにおける時間的な制約から解放され、当該加工材を任意の時期に球状化焼鈍工程に移送すればよいことになり、製造ラインにおける自由度、ひいては生産性を高めることに貢献する。
【００１４】
また、塑性加工がＡｃ変態点より低い温度で行われているので、得られた加工材に蓄積される加工歪みは大きい。そのため、球状化焼鈍時に２次炭化物の球状化が促進され、析出する２次炭化物の粒径が大きくなる。そのことは、組織における基地の割合が多くなることであり、そのため、全体が軟質となり、被削性の向上をもたらす。
更に、本発明によれば、仕上げ加工工程は従来に比べて低温で実施され、また低温焼鈍工程が省略されるので、製造ライン全体で必要とする熱エネルギーも低減し、熱経済上でも有用な効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は次の知見に基づく。それを以下に説明する。
鋼種がＪＩＳ規格でＳＫＤ１１の鋼試片２個につき、次のような態様で変形抵抗を測定した。
一方の試片は、室温から一旦１２００℃のオーステナイト温度域に加熱し、ついで、図１で示す鍛造温度で鍛造し、そのときの最大変形抵抗を求めた。
【００１６】
他方の試片は、室温からそのまま鍛造温度まで加熱し、その温度で鍛造し、そのときの最大変形抵抗を求めた。結果を図１に示す。
図１から明らかなように、室温からそのまま鍛造温度まで加熱して鍛造すると、一旦、オーステナイト温度域（８３２℃以上）に加熱したのち鍛造温度にまで冷却して鍛造した場合に比べて、最大変形抵抗は約４０％低くなっている。
【００１７】
このことは、鋼片の仕上げ加工工程において、従来のようにＡｃ変態点以上の温度で塑性加工を行わなくても、当該鋼片を室温からＡｃ変態点より低い温度にまで加熱すれば、その温度で塑性加工を行うことができることを示している。
本発明において、処理対処の鋼種は球状化焼鈍を行って使用する鋼種である。例えば、ＪＩＳ規格でＳＫＤ１１などに相当する鋼種をあげることができる。
【００１８】
本発明において、分塊圧延工程までは従来と同じように進められる。分塊圧延工程を終了した鋼片は、続いて仕上げ加工工程に連続的に移送されてもよいし、また、鋼片を一旦ストックし、必要に応じて仕上げ加工工程に移送してもよい。
仕上げ加工工程では、鋼片をＡｃ変態点より低い温度にまで加熱したのち、そのまま当該鋼片を加工装置に導入して塑性加工を開始する。例えば、鋼片がストックされていて室温になっている場合は、鋼片をそのまま例えば通電加熱して加工温度にまで昇温し、そして加工装置に導入して加工を開始する。
【００１９】
また、分塊圧延工程で降温している鋼片の場合は、やはり例えば加工開始温度まで加熱してから加工装置に導入する。
加工開始温度は、加工装置の出口における加工温度が最低でも６００℃となるような温度に管理される。装置出口の加工温度が６００℃より低くなると、加工装置の能力にもよるが、やはり鋼片の変形抵抗が大きくなって事実上塑性加工ができなくなるからである。
【００２０】
このようなことからすると、装置入口の温度は７００〜８００℃に設定することが好ましい。この程度の入口温度にしておけば、出口温度は最低でも６００℃を確保することができ、その過程で所望の塑性加工を実施することができる。
この仕上げ加工工程で得られた加工材は、従来のように低温焼鈍を行うことなく、直ちに球状化焼鈍工程に移送される。
【００２１】
球状化焼鈍は、加工材を、一旦、Ａｃ変態点以上の均熱温度下で所定時間保持し、ついで温度６００〜７００℃まで徐冷すればよい。この均熱過程で、炭化物は基地に固溶し、未固溶の炭化物は球状化して残留する。そして徐冷時に、残留炭化物を核として固溶していた炭化物が析出し、球状化した２次炭化物が基地内に分散・成長する。
本発明で採用される球状化焼鈍の条件としては、例えば、均熱温度８７０℃、保持時間３時間、冷却速度１５℃／ｈｒで温度６８０℃までの徐冷をあげることができる。
【００２２】
本発明の場合、仕上げ加工がＡｃ変態点より低温で行われるので、この工程で蓄積する加工歪みが大きい。そのため、２次炭化物の球状化が促進され、従来の場合よりも大径の２次炭化物が析出する。そのため、鋼の組織においては、マトリックス（Ｆｅ）の占める割合が大きくなる。
すなわち、球状化焼鈍後の製品は、低硬度で軟質化し、従来に比べて被削性が向上している。
【００２３】
例えば、ＳＫＤ１１の鋼種の場合、上記した条件の球状化焼鈍を行うと、２次炭化物の粒径は０．４０〜０．４６μｍで、その分布密度は５００個／ｍｍ２以下であり、その硬さはブリネル硬さ（ＨＢ）で１９６〜２０９程度となる。
【実施例１】
【００２４】
１．鋼材の製造
Ｃ：１．４質量％、Ｓ：０．０１質量％、Ｃｒ：１３．０質量％、Ｍｏ：０．８質量％、残部がＦｅと不可避的不純物から成るＳＫＤ１１相当の冷間ダイス鋼を鋳造した。この鋼種のＡｃ変態点は７８０〜８２０℃である。
この鋼塊を、炉内温度が１１８０℃に管理されている均熱炉に装入して１時間保持し、抽出したのち、分塊圧延を行った。分塊圧延後の鋼片はそのまま放置して室温（２５℃）まで冷却した。
【００２５】
ついで、鋼片を通電加熱して鋼片温度を室温から８００℃まで昇温したのち、圧延装置に導入し、最終的な圧下率が３５％となる熱間圧延を行った（仕上げ加工工程）。装置出口における加工材の温度は約６５０℃であった。
得られた加工材を一旦温度８７０℃で３時間保持したのち、冷却速度１５℃／ｈｒで温度６８０℃まで炉冷する球状化焼鈍を行って実施例鋼材を製造した。
【００２６】
上記した実施例方法を５０個の鋼片について行って実施例鋼材を５０個製造したが、いずれも表層部に割れやクラックの発生は認められず、良品率は１００％であった。
比較のために、分塊圧延後の鋼片を、一旦、１２００℃まで加熱炉で加熱したのち抽出し、それを圧延装置に導入し、最終的な圧下率が９０％になる熱間圧延を行った。このとき、装置入口における鋼片温度は約１２００℃、装置出口における加工材の温度は約１０００℃であった。熱間圧延はＡｃ変態点以上の温度で実施されている。
【００２７】
次に、得られた加工材を低温焼鈍した。低温焼鈍開始時の加工材の温度は約３０℃であった。この加工材を、処理温度６８０℃で１時間保持したのち空冷し、低温焼鈍を行なった。
得られた加工材を、一旦、温度８６０℃で３．５時間保持したのち、冷却速度１５℃／ｈｒで温度７４０℃まで炉冷して球状化焼鈍を行った。得られた試料を比較例鋼材とする。
【００２８】
上記した比較例方法を５０個の鋼片について行って比較例鋼材を５０個製造した。良品率は１００％であった。
なお、仕上げ加工後の加工材をそのまま室温まで冷却したところ、加工材の表面には多数のクラックが発生した。
【００２９】
２．鋼材の性状
（１）２次炭化物の析出状態
実施例鋼材と比較例鋼材の断面組織を顕微鏡観察して、析出している２次炭化物の析出状態を調べた。
２次炭化物の粒径は、平均して、実施例鋼材では、０．４２μｍ、比較例鋼材では０．３３μｍであり、実施例鋼材の場合の方が２次炭化物の球状化が促進されていた。
【００３０】
また、２次炭化物が顕微鏡の視野内で占める面積率と分布密度を測定したところ、実施例鋼材の場合はそれぞれ約１４．３％、約４９個／１００μｍ２、比較例鋼材の場合はそれぞれ約１３．２％、約４５個／１００μｍ２であった。
このように、実施例鋼材の方が粒径の大きい２次炭化物が析出しており、また、マトリックスの占める割合が大きくなっている。
【００３１】
（２）硬さ
実施例鋼材と比較例鋼材につき、表面のブリネル硬さ（ＨＢ）を測定した。５点測定の平均値で、実施例鋼材の場合は、ＨＢ２１６であり、比較例鋼材の場合はＨＢ２３０であり、実施例鋼材の方が軟質であった。
これは、実施例鋼材の方がマトリックスの占める割合が大きいからであると考えられる。
【００３２】
（３）被削性
エンドミル被削性試験を行い、切削距離（ｍｍ）と横逃げ面最大磨耗量（μｍ）との関係を求めた。その結果を図２に示した。
図２から明らかなように、実施例鋼材は比較例鋼材に対し、１０〜２０％程度、被削性が向上している。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明によれば、従来は仕上げ加工後に不可欠な程度であった低温焼鈍を省略することができる。そのため、製造ラインの簡素化と生産性の向上を実現することができる。そして、仕上げ加工がＡｃ変態点より低い温度で行われるので、蓄積される加工歪みは大きくなり、球状化焼鈍時に２次炭化物の球状化が促進されて、低硬度で被削性に優れた鋼材が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明方法と従来方法において、鋼片の最大変形抵抗と仕上げ加工時の加工温度との関係を示すグラフである。
【図２】実施例鋼材と比較例鋼材に対するエンドミル被削性試験の結果を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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