(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素材鋼線を圧延温度に加熱する誘導加熱による加熱手段と、加熱された鋼線を圧延加工する圧延手段と、該圧延手段に近接して配設された冷却手段とが、タンデムに配設された焼入装置により、被加工鋼線を１００℃／ｓ以上の加熱速度でＡｃ3 以上の温度に急速短時間加熱し、該加熱温度から７６０℃以上の温度で、前記圧延手段により所定異形断面に圧延し、圧延直後にＡｒ1 以上の温度から前記冷却手段によりＭｓ点以下の温度まで急冷して加工焼入れし、一工程で成形と焼入れ熱処理とを行うことを特徴とする熱処理異形鋼線の製造方法。
【請求項２】
前記熱間圧延は４方ロール圧延により行うことを特徴とする請求項１に記載の熱処理異形鋼線の製造方法。
【請求項３】
前記焼入装置の冷却手段の後方に被加工鋼線に張力をかける張力付加手段がタンデムに配設され、該張力付加手段により、熱間圧延直後に被加工鋼線に張力をかけながら急冷する張力加工焼入れを行うことを特徴とする請求項１に記載の熱処理異形鋼線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コイルばねその他の用途に使用される角又は矩形もしくは近似梯形断面などの異形断面を有する熱処理された異形鋼線及びその製造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば異形断面鋼線を用いたコイルばねは、まず図５に示すように丸断面の圧延鋼材から引抜きなどにより異形断面に伸線された。そして、この引抜鋼線を図５（ａ）の工程のようにオイルテンパなどの方法で焼入れ焼戻しした後、コイルばね形状にコイリングして製造するか、あるいは図５（ｂ）のようにコイルばね形状にコイリングした後、電気炉などにより焼入れ焼戻しして製造された。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コイルばね製造における前記従来の方法では、異形伸線の引抜きなどの工程と、焼入れ焼戻しの熱処理の工程との２つの工程を要するために、工数が増してコスト低減が困難であるという問題点があった。
【０００４】
また、前記図５（ａ）の熱処理した鋼線をコイリングする方法では、素線に蛇行やねじれや小曲がりがあると、巻いたコイルが変形して製品の歩留まりが大きく低下する。しかし、従来の伸線後、炉加熱により焼入れ・焼戻しされた素線では、この点十分な品質が得られなかった。そのために、さらに直線性の良好な焼入れ鋼線が要求された。
【０００５】
一方、直線性の高い焼入鋼線を得るために、張力をかけながら加熱焼入れする方法が行われるが、高温に加熱された鋼線に張力をかけると鋼線が伸びて断面が縮小し、張力の変動により断面寸法が変動するという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明は、丸断面の鋼線から連続的に異形断面に熱間成形し、成形と焼入れ熱処理とを同時に行って、１工程で熱処理された熱処理異形鋼線を製造する方法を提供することを目的とする。かつ、焼入れ冷却時に張力変動の少ない張力焼入れを行うことにより、寸法精度が高く直線性の良好な熱処理された熱処理異形鋼線の製造方法を提供することを目的とする。本発明はとくに高強度コイルばね用鋼線に適するものであるが、その他角断面トーションバーなどのような異形断面を有して直線性を必要とする熱処理異形鋼線など広い用途に使用することができる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の熱処理異形鋼線の製造方法は、素材鋼線を圧延温度に加熱する誘導加熱による加熱手段と、加熱された鋼線を圧延加工する圧延手段と、該圧延手段に近接して配設された冷却手段とが、タンデムに配設された焼入装置により、被加工鋼線を１００℃／ｓ以上の加熱速度でＡｃ3 以上の温度に急速短時間加熱し、該加熱温度から７６０℃以上の温度で、前記圧延手段により所定異形断面に圧延し、圧延直後にＡｒ1 以上の温度から前記冷却手段によりＭｓ点以下の温度まで急冷して加工焼入れし、一工程で成形と焼入れ熱処理とを行うことを特徴とするものである。
【０００８】
すなわち、このように誘導加熱などにより急速短時間加熱すると、通常の炉加熱などより脱炭などの欠陥が少なく、かつ高い加工焼入れの効果が得られることが知られている。そして圧延直後に急冷することにより結晶粒の成長が阻止され、かつ表層部のＡｒ3 変態も阻止される。これにより、表面の冷却が進んでフェライト組織が析出することを防止でき、表層部まで十分な焼入れ組織が得られる。このように圧延直後の急冷による加工焼入れを行うことにより、異形断面の成形と焼入れ熱処理とが１工程で行われ、かつ加工焼入れにより通常焼入れより高い強度が得られる。
【０００９】
前記の圧延成形は、４方圧延ロールによれば少ない圧延スタンドで簡易に異形断面の成形を行うことができる。
【００１０】
また、被加工鋼線を１００℃／ｓ以上の加熱速度でＡｃ3 温度以上に急速短時間加熱し、７６０℃以上の温度で圧延ロールにより所定異形断面に圧延し、圧延直後にＡｒ1 以上の温度から該圧延ロールに近接してタンデムに配設された焼入冷却手段によりＭｓ点温度以下まで急冷して加工焼入れすることが高い引張り強さを得るために望ましい。この焼入冷却手段はできるだけ前記圧延ロールに近接して配設することが望ましい。こうすれば、圧延直後の急冷により結晶粒の成長を阻止して高い焼入硬さが得られる。
【００１１】
このように異形断面を圧延ロールにより熱間加工することにより、従来の引抜き伸線加工などの成形に比し擦り傷などが減少し、良好な表面肌のばね鋼線が得られる。さらに、高合金鋼などは加工硬化が大きく冷間伸線が困難であるが、本圧延方法によれば高合金鋼の異形断面加工も容易である。
【００１２】
前記加工焼入れは、熱間圧延直後に被加工鋼線に張力をかけながら急冷する張力加工焼入れを行うことが熱処理鋼線の直伸度を向上するために望ましい。この被加工鋼線にかける張力は、該鋼線の張力変動を吸収するトルクコンバータ付駆動装置により駆動されるピンチローラ又は巻取機もしくはキャプスタン装置により与えられることが張力変動による寸法の変動をなくするために望ましい。
【００１３】
前述のように、コイルばねを成形するためのコイリングの際には、素線の一定の大きな湾曲は製品に影響しないが、素線に蛇行や、ねじれや、小曲がりなどがあると、製品形状に不良が生じて製品歩留まりが低下する。本発明の方法では、圧延後急冷する加工焼入れの際に、線材に張力をかけながら急冷する張力加工焼入れをするので、このような小曲がりのない直線性の高い焼入ばね鋼線が得られる。これにより、コイルばね成形における製品の歩留まりが向上する。なお、コイルばね以外に直線で使用される異形トーションバーなどの用途においても、矯正などの成形工数を大幅に低減できてコストを低減できる。
【００１４】
しかし、この焼入れの際の高温の線材は強度が低いので、線材に掛かる張力が変動すると断面寸法に変動が生ずる恐れがある。そこで本発明は、ピンチローラ、巻取機、キャプスタン装置の駆動にトルクコンバータ付駆動装置を用いて、トルクコンバータにより線材の張力の変動を吸収して、線材に一定の張力を与えながら焼入れすることを特徴とするものである。これにより、断面寸法の均一な寸法精度の高い焼入ばね鋼線を得ることができる。とくに、小径断面の異形線材などでは線材に直接張力を加えると断面寸法の変動が大きいが、本発明のトルクコンバータを介して張力をかけることにより、従来困難であった小径断面の異形線材まで張力焼入れが可能になった。ここでトルクコンバータ付駆動装置とは、必ずしもトルクコンバータと駆動装置が一体のものをいうのでなく、トルクコンバータを介して駆動するものをすべて含む。
【００１５】
前記加工焼入れ後に連続して、誘導加熱により焼戻し温度に加熱して焼戻しすることが、焼入れ焼戻し熱処理を連続して行うことができて望ましく、この焼戻しは、前記焼入冷却手段の後方にタンデムに配設された焼戻し誘導加熱コイルにより連続的に行われることが望ましい。
【００１６】
本発明の製造方法は、角又は矩形もしくは近似梯形断面を有する異形線材の加工に広く有効であり、引張り強さが１６００Ｎ／ｍｍ2 以上の熱処理異形鋼線が容易に製造できる。
【００１７】
削除
【００１８】
削除
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の１実施形態について具体的に説明する。図１は本発明実施形態の熱処理異形鋼線の製造装置の全体の構成を示す概念図、図２は本実施に用いた熱処理異形鋼線の断面形状の一例、図３はそれを圧延する４方ロール圧延機（圧延手段）のロール形状を示す図、図４は本発明実施例の熱処理異形鋼線の製造工程を示すフローチャートである。
【００２０】
図１において、図の左上流側から圧延加熱コイル（圧延加熱手段）６、４方ロール圧延機（圧延手段）７、水冷ジャケット（焼入冷却手段）８、ピンチロール９（張力付加手段）及び焼戻加熱コイル（焼戻し加熱手段）１０がタンデムに配列され、最終に巻取機１１が配設されている。ピンチロール９はトルクコンバータ減速機付のモータ９ａにより駆動される。
【００２１】
本実施例の熱処理異形鋼線は、図２に示すように近似梯形断面を有している。そしてこれを圧延する４方ロール圧延機７は、図３に示すように上下１対の水平ロール１、１と左右１対の垂直ロール２、２により構成されている。そして、上下の水平ロール１により近似梯形断面の側面が成形され、左右の垂直ロール２により頂底面が成形される。
【００２２】
以下、図１及び図４を用いて製造工程を説明する。まず、前工程として所定径の圧延鋼材の素材がデスケーリングされた後、丸伸線により所定径の円断面の素材鋼線Ｗ１に伸線される。この素材鋼線Ｗ１が図示しない巻出機から圧延加熱コイル６に供給される。素材鋼線Ｗ１は圧延加熱コイル６により誘導加熱された後、４方ロール圧延機７により図２に示す近似梯形断面の線材Ｗ２に熱間圧延され、熱間圧延直後に水冷ジャケット８により急冷して加工焼入れされる。このとき、ピンチロール９が圧延出口速度よりわずかに早い送り速度で回転しているので、異形線材Ｗ２はピンチロール９により張力がかけられて送り出されながら急冷される。このように張力を掛けながら冷却することにより、直線性の高い焼入鋼線が得られる。また、ピンチロール９はトルクコンバータ減速機付のモータ９ａにより駆動されるので、線材Ｗ２に過大な引張り力が働くことがなく、線材の寸法変動が防止される。焼入れされた線材は、焼戻加熱コイル１０により焼戻温度に加熱されて焼戻しされ、巻取機１１により巻き取られる。そして熱処理されてコイル状に巻き取られた熱処理異形鋼線は、コイルばねに使用される場合は所定形状にコイリングされて成形される。
【００２３】
すなわち、従来方法では、図５に示すように異形断面の伸線の工程と焼入れ焼戻しの工程の２工程で行われたものを、本発明では異形断面成形と焼入れ焼戻しが１工程で行われることを特徴とするものである。
【００２４】
なお、本実施形態では、ピンチロールにより線材に張力をかけたが、ピンチロールの代わりにキャプスタン装置によってもよく、あるいは巻取機により張力をかけてもよい。この場合は、キャプスタン装置や巻取機の駆動にトルクコンバータ付モータが使用される。また、圧延加熱は直接通電によっても、あるいは誘導加熱と直接通電を併用してもよい。
【００２５】
［実施例］
以下実施例について説明する。実施例に使用した圧延線材の化学成分を表１に示す。
【００２６】
【表１】
0004215413.tif 000002
【００２７】
この圧延線材を丸線に伸線した後、この素線を用いて図２の形状の梯形断面に圧延した。圧延した梯形断面の異形鋼線の寸法とそれに対応する素線の径を表２に示す。素線から異形鋼線の減面率は約０．９である。各種寸法の梯形断面に圧延した鋼線は、張力を掛けながら急冷して加工焼入れした後、連続して焼戻しした。表２に示す４０系、３０系、２５系のように小径断面の異形線材は、従来の張力焼入れでは断面寸法の変動が大きいため困難であったが、本発明はトルクコンバータ付ピンチロールで張力を掛けるため、このような小径断面の異形鋼線まで張力焼入れが可能になった。
【００２８】
【表２】
0004215413.tif 000003
【００２９】
表２の製品のうち、１例としてＬ−６０の実施例について説明する。Ｌ−６０は高さ１４．４０ｍｍ×底面７．１０ｍｍ−頂面４．７０ｍｍの図２に示す近似梯形断面であるが、素材径１０．８０ｍｍの丸線材を用いこの形状に圧延した。その減面率は０．９０５９であった。断面寸法のばらつきは０．０５ｍｍ以下で精度の高い熱処理異形鋼線が得られた。
【００３０】
加熱条件は、圧延温度まで７ｓｅｃで昇温し、鋼線の送り速度は出口側で１００ｍｍ／ｓとした。熱処理温度は図１の加熱コイル出口側▲１▼、加熱後均熱された位置▲２▼、ロール入口▲３▼、ロール出口▲４▼、水冷ジャケット前▲５▼、及び焼戻加熱後の▲６▼の各位置で温度を測定した。その測定結果を表３に示す。
【００３１】
【表３】
0004215413.tif 000004
【００３２】
すなわち、鋼線は圧延加熱コイル６によりＡｃ3 温度以上の約１０２４℃に加熱されてγ組織にされ、４方ロールにより８５０〜７６０℃以上の温度範囲で圧延加工される。そして、圧延直後にＡｒ1 以上の温度７４０℃からＭｓ点以下まで急冷して焼入れされた。これにより、微細なマルテンサイト組織の焼入組織が得られ、高い強度が得られた。焼入れされた鋼線は焼戻加熱コイル１０により約５００℃に加熱して焼戻しされた。
【００３３】
上記条件で圧延熱処理されたＬ−６０熱処理異形鋼線の機械的性質の一例を表４に示す。すなわち、本発明の熱処理異形鋼線は、引張強さが１６００Ｎ／ｍｍ2 以上で伸び１０％以上と高い強度と大きい伸びが得られた。
【００３４】
【表４】
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【００３５】
また、熱処理された異形鋼線は小曲がりが全く見られず高い直線性が得られた。本実施例ではこの熱処理異形鋼線を用いてコイルばねを成形した。その結果、炉などにより熱処理した従来工程の異形鋼線を使用した場合には、コイル成形時の不良率が数１０％に達することがあったが、本発明の熱処理異形鋼線によれば不良率はほとんど０％になった。
【００３６】
表２に示すその他の各寸法の熱処理異形鋼線についても圧延したが、いずれも断面寸法のばらつきは０．０５ｍｍ以下で精度の高い熱処理異形鋼線が得られた。得られた機械的性質の例を表２に合わせて示すが、前記実施例１と同様に直線性がよく高い引張強さと伸びが得られ、本発明のすべての異形線材において前記同様にコイル成形時の不良率はほとんど０％になった。
【００３７】
上記本実施例においては、近似梯形断面の熱処理異形線材を製造し、コイルばねについて効果を確認した。しかし、本発明は梯形断面だけでなく、角断面又は矩形断面の熱処理異形線材にも適用できる。用途もコイルばねのみでなく、直線性がよいので、直線で使用される異形トーションバーなどにおいても工数が低減され成品歩留まりが向上する。本発明は広く他の用途にも適用できる。
【００３８】
以上説明したように本発明の熱処理異形鋼線とその製造方法によれば、誘導加熱などにより急速短時間加熱されるので、他の加熱方法のように脱炭などの欠陥が生じない。また、異形に成形圧延されると同時に焼入れ熱処理されるので、熱処理された異形鋼線が一工程で得られる。また、急速加熱、加工焼入れにより高い強度が得られる。
【００３９】
この加工焼入れにおいて、被加工鋼線をＡｃ3 温度以上に急速加熱し、７６０℃以上の温度範囲で４方圧延ロールにより所定異形形状に圧延し、圧延直後にＡｒ1 以上の温度から焼入冷却手段によりＭｓ点以下まで急冷して直接焼入れを行うことにより、引張り強さは１６００Ｎ／ｍｍ2 以上の高い強度が得られる。さらに、焼入冷却手段の後方に、焼戻し誘導加熱コイルをタンデムに設けて焼戻しすることにより、連続的に焼入れ焼戻しが可能になる。
【００４０】
また、圧延ロールにより異形断面に熱間成形するので、冷間伸線加工に比して擦り傷などの表面欠陥が減少して良好な肌の熱処理異形鋼線が得られ、冷間伸線加工の困難な高合金鋼の加工も可能である。
【００４１】
さらに、熱間圧延後に張力をかけながら急冷して張力加工焼入れを行うので、蛇行、ねじれなどの小曲がりない高い直線性を有する熱処理異形鋼線が得られる。この焼入れにおいてかける張力は、トルクコンバータ付駆動装置により駆動されるピンチローラ又は巻取機もしくはキャプスタン装置により与えられるので、張力の変動が少なく、引張りによる断面寸法の変動が少ないという特徴がある。この効果は、とくに小径断面の線材に対して大きいので、本発明により従来困難であった小径断面の異形線材の張力焼入れが可能になった。
【００４２】
なお本実施例においては圧延加熱を誘導加熱によったが、直接通電加熱によってもよいし、両者を併用してもよい。また、本実施例では４方ロール圧延機を１スタンドにしたが２スタンド以上にしてもよい。また、熱処理異形鋼線の断面形状は本実施例の近似梯形以外の角、矩形断面など種々の断面形状とすることもできる。
【００４３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の熱処理異形鋼線とその製造方法及び装置によれば、直線性に優れ、高い強度を有する熱処理された熱処理異形鋼線が一工程で得られるので、コイルばね素線として用いた場合に小曲がりによるコイル成形時の不良率をほとんど０に低下することができ、異形ばね線によるコイルばねの製造費を大幅に低減できる。とくに、従来困難であった小径断面の熱処理異形鋼線の製造に有効である。また、異形断面トーションバーなどの他の用途にも広く使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態の熱処理異形鋼線の製造装置の構成を示す概念図である。
【図２】本発明実施例の熱処理異形鋼線の断面形状の一例を示す図である。
【図３】本発明実施例の４方ロール圧延機のロール形状を示す図である。
【図４】本発明実施例の熱処理異形鋼線の製造工程を示すフローチャートである。
【図５】従来の熱処理異形鋼線によるコイルばねの製造方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  上下水平ロール、２  左右垂直ロール、６  誘導加熱コイル（圧延加熱手段）、７  ４方ロール圧延機（圧延手段）、８  水冷ジャケット（焼入冷却手段）、９  ピンチロール（張力付加手段）、９ａ  トルクコンバータ付モータ、１０  焼戻し加熱コイル、１１  巻取機、Ｗ１  素材鋼線、Ｗ２  異形鋼線
【図１】
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【図２】
0004215413.tif 000007
【図３】
0004215413.tif 000008
【図４】
0004215413.tif 000009
【図５】
0004215413.tif 000010