(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属条材の長手方向の小領域を局部的に加熱して加熱部を形成する加熱手段とその加熱部の一端を冷却する冷却手段とを、前記金属条材に対して長手方向に相対的に且つ前記加熱手段を冷却手段の前側に配して移動させ、前記金属条材を連続的に加熱冷却して熱処理する方法において、前記金属条材が、長手方向に肉厚の異なる部分が混在する金属条材であり、熱処理後における前記金属条材の機械的特性を長手方向にほぼ均一とするように、前記加熱手段及び冷却手段が金属条材に加える熱処理条件を、金属条材の肉厚に応じて変化させる構成とし、その熱処理条件を変化させるため、熱処理時における前記加熱手段及び冷却手段の金属条材に対する相対的移動速度を、金属条材の肉厚の薄い領域では厚い領域よりも遅くすることを特徴とする金属条材の熱処理方法。
【請求項２】
金属条材の長手方向の小領域を局部的に加熱して加熱部を形成する加熱手段とその加熱部の一端を冷却する冷却手段とを、前記金属条材に対して長手方向に相対的に且つ前記加熱手段を冷却手段の前側に配して移動させ、前記金属条材を連続的に加熱冷却して熱処理する方法において、前記金属条材が、長手方向に肉厚の異なる部分が混在する金属条材であり、熱処理後における前記金属条材の機械的特性を長手方向にほぼ均一とするように、前記加熱手段及び冷却手段が金属条材に加える熱処理条件を、金属条材の肉厚に応じて変化させる構成とし、その熱処理条件を変化させるため、熱処理時に前記加熱手段により形成される加熱部の到達温度を、金属条材の肉厚の薄い領域では厚い領域よりも低くすることを特徴とする金属条材の熱処理方法。
【請求項３】
更に、熱処理時における前記冷却手段による冷却熱量を、金属条材の肉厚の薄い領域では厚い領域よりも小さくすることを特徴とする請求項１又は２記載の金属条材の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｈ形鋼、Ｉ形鋼、鋼管、板材等の金属条材の熱処理方法に関し、特に長手方向に肉厚の異なる部分が混在する金属条材の熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱間曲げ加工などを行った金属条材に対して、延性、靱性等の機械的特性を回復させるための熱処理を行うことが知られており、また、その熱処理方法として、金属条材の長手方向の小領域を局部的に加熱して加熱部を形成する加熱手段（例えば、誘導加熱用コイル）とその加熱部の一端を冷却する冷却手段（例えば、冷却水噴射器）とを、金属条材に対して長手方向に相対的に且つ加熱手段を冷却手段の前側に配して移動させ、前記金属条材を連続的に加熱冷却して熱処理する方法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ネジ接続して使用する鋼管等の管端部に熱間据込み加工を施した場合にも、該加工により形成された厚肉部及びその近傍の熱影響部に上記機械的特性を回復するための熱処理が必要となる場合があり、その方法として上記した熱処理方法を用いることが考えられる。そこで、図６及び後述する比較例に示すように、平板状の金属条材の長手方向の一部領域を据込み加工し、元の厚みのままの薄肉部１ａ（厚さ１０ｍｍ）と、テーパ部１ｂと、厚肉部１ｃ（厚さ２０ｍｍ）とを有する金属条材１（材質ＳＳ４００）を用意し、この金属条材１を取り囲むように、誘導加熱用コイルからなる加熱手段２と、冷却水３を噴射する冷却水噴射器からなる冷却手段４とをセットし、加熱手段２で金属条材１の小領域を約１０００°Ｃに加熱して加熱部５としながら、その加熱手段２と冷却手段４を金属条材１に対して、１．５ｍｍ／ｓで相対的に移動させ、且つ冷却水量を３リットル／ｍｉｎ／ｃｍに保持して、熱処理を行った。そして、その熱処理前と熱処理後の金属条材１の機械的特性（横断面の平均硬度、引張強さ及び伸び）を測定した。
【０００４】
ところが、測定結果は図６のグラフに示した通りであって、熱処理前にはほぼ同一の機械的特性を持っていた薄肉部１ａと厚肉部１ｃとを同一条件で熱処理したにも係わらず、熱処理後の機械的特性は薄肉部１ａと厚肉部１ｃとで大きく変化してしまい、特に薄肉部１ａでは硬度が逆に増加し、伸びが低下してしまうという問題点のあることが判明した。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、薄肉部と厚肉部を有するような金属条材に対して、薄肉部と厚肉部の機械的特性がほぼ均一となるように熱処理することの可能な金属条材の熱処理方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、図６のグラフ内の線７、８、９で示すように、金属条材１の薄肉部と厚肉部とを同一熱処理条件（同一温度、同一送り速度、同一冷却水量）で熱処理したにもかかわらず、機械的特性が異なってしまう原因を検討した結果、これが加熱部の温度降下速度に起因していることを見出した。すなわち、図７に示すように、条材１を、その条材１に沿って一定速度Ｖで移動する加熱手段２で局部的に加熱して加熱部５とし、その後ろ側を冷却手段４からの冷却媒体即ち冷却水３で冷却してゆく場合において、或る瞬間における金属条材の長手方向の温度分布を測定したところ、薄肉部１ａの温度分布は線１０で、厚肉部１ｃの温度分布は線１１で示すようになっており、厚肉部１ｃの方がゆるやかに温度が低下していたことが判明した。これは、厚肉部１ｃの方が加熱部５から冷却されている部分へ移動する熱量Ｑが多いためと思われる。線１０、１１に示す温度分布から、金属条材１の或る位置における温度変化をグラフ化すると、加熱部５の移動速度が一定であるので、結局、図７の下側のグラフに示すように、薄肉部では線１２、厚肉部では線１３となり、それぞれ、温度分布の線１０、１１と同様な曲線となる。従って、厚肉部ではゆるやかに温度が降下しているが、薄肉部では急激に温度が降下している。金属の熱処理、特に鋼材の熱処理において、温度降下速度は機械的特性に影響しており、この温度降下速度が早いほど、引張強さ及び硬度が大きくなり、伸びが小さくなる傾向がある。このため、薄肉部と厚肉部とに対して一定の条件で熱処理を行ったにもかかわらず、熱処理後の機械的特性が異なっていたと思われる。
【０００７】
本発明はかかる知見に基づいてなされたもので、薄肉部と厚肉部を有する金属条材に対して、加熱手段と冷却手段を相対的に移動させて熱処理するに際し、熱処理後における前記金属条材の機械的特性を長手方向にほぼ均一とするように、前記加熱手段及び冷却手段が金属条材に加える熱処理条件を、金属条材の肉厚に応じて変化させることを特徴とし、これにより、薄肉部と厚肉部を、ほぼ均一な機械的特性となるように熱処理することが可能となる。
【０００８】
本発明において、熱処理後における前記金属条材の機械的特性を長手方向にほぼ均一とするように、金属条材の肉厚に応じて変化させる熱処理条件としては、熱処理時における前記加熱手段及び冷却手段の金属条材に対する相対的移動速度を挙げることができ、この相対的移動速度を、金属条材の肉厚の薄い領域では厚い領域よりも遅くすることが、機械的特性の均一化に有効である。
【０００９】
【００１０】
また、金属条材の肉厚に応じて変化させる熱処理条件として、加熱温度を挙げることもでき、熱処理時に前記加熱手段により形成される加熱部の到達温度を、金属条材の肉厚の薄い領域では厚い領域よりも低くすることが、機械的特性の均一化に有効である。
【００１１】
以上に述べた加熱手段及び冷却手段の金属条材に対する相対的移動速度、前記加熱手段により形成される加熱部の到達温度などの熱処理条件は、それぞれを単独で変化させることで機械的特性の均一化を図ってもよいし、必要に応じ、これらの熱処理条件を適宜組み合わせて変化させることにより機械的特性の均一化を図ってもよい。なお、金属条材の肉厚に応じて変化させる熱処理条件として、熱処理時における前記冷却手段による冷却熱量を挙げることもでき、この冷却熱量を、金属条材の肉厚の薄い領域では厚い領域よりも小さくすることが、機械的特性の均一化に有効である。従って、上記した相対的移動速度による熱処理条件或いは加熱部の到達温度による熱処理条件に、冷却手段の冷却熱量による熱処理条件を組み合わせてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。
本発明の熱処理方法は、図１に示すように、金属条材１の長手方向の小領域を局部的に加熱して加熱部５を形成する加熱手段２と、その加熱手段２による加熱部５の一端を冷却する冷却手段４とを、熱処理すべき金属条材１に対して長手方向に相対的に且つ加熱手段２を冷却手段４よりも前側に配して移動させ、金属条材１を連続的に加熱冷却して熱処理することを基本とする。
【００１３】
ここで使用する加熱手段２としては、金属条材を局部的に所望温度に加熱しうる任意のものを使用しうるが、なかでも電磁コイルを配して行う誘導加熱法が、金属条材を敏速に且つ局部的に高温に加熱することができるので好適である。冷却手段４としては、加熱部５に対して冷却媒体３を吹き付けることで冷却しうるものが使用される。その冷却媒体としては、水、油等の液体、空気、窒素ガス等の気体等任意であるが、水を用いることが冷却熱量が大きく、しかも取り扱いが容易で且つ安価であるので、好ましい。加熱手段２の幅ないしはこれにより形成される加熱部５の長さは、加熱手段２を条材１に対して相対的に移動させながら、加熱部５の最高温度を熱処理に要求される所望温度まで昇温させることができるように定めればよい。なお、たとえば、基本構成として必要な上記冷却手段４の他に、加熱部長さの調整を補助する目的で加熱手段２の前側に補助冷却手段（図示を省略）を配備するなどの付随的な措置は、本発明の目的に沿った範囲で適宜行われてよい。加熱手段２と冷却手段４とを金属条材１に対して相対的に移動させるには、金属条材１を定位置に固定し、加熱手段２と冷却手段４とを移動させる方法、加熱手段２と冷却手段４とを定位置に固定し、金属条材１を移動させる方法、加熱手段２と冷却手段４及び金属条材１をそれぞれ移動させる方法のいずれをも採用しうる。
【００１４】
図１に示す本発明の実施の１形態では、薄肉部１ａ、テーパ部１ｂ、厚肉部１ｃ等を有する金属条材１に対して上記した方法で熱処理を行うに当たって、加熱手段２及び冷却手段４の金属条材１に対する相対的移動速度を、金属条材の肉厚の薄い領域では厚い領域よりも遅くしている。すなわち、図１のグラフに線７で示すように、加熱手段２及び冷却手段４の金属条材１に対する相対的な移動速度（送り速度）を、薄肉部１ａでは低い一定の速度Ｖa に、テーパ部１ｂでは徐々に増加する速度Ｖb に、厚肉部１ｃでは高い一定の速度Ｖｃとするものである。なお、温度及び冷却水量はそれぞれ線８、９で示すように一定としておく。
【００１５】
移動速度にこのような変化を与えると、加熱手段２による加熱部５の到達温度（最高温度）及び冷却水量（冷却熱量）を線８、９で示すように一定とした熱処理を行った場合において、加熱中の或る瞬間における金属条材１の加熱部５及びその後ろの冷却部分での温度分布は、図２に示す線１５、線１６のようになる。ここで、線１５は薄肉部１ａの加熱冷却時における温度分布を、線１６は厚肉部１ｃの温度分布を示している。もし、薄肉部１ａにおける移動速度を厚肉部１ｃにおける移動速度と同一とすると、薄肉部１ａにおける温度分布は線１５′のように、急激に温度が低下したものとなるが、本発明では移動速度を遅くしたことにより、線１５のように温度低下がややゆるやかとなる。ただし、厚肉部１ｃにおける曲線１６よりは幾分急である。この温度分布を元に、横軸を時間軸として書き直すと（すなわち、金属条材１の１点における温度変化曲線として書き直すと）、図２の下側のグラフに示す線１７、１８のようになり、両者はほぼ重なる。すなわち、薄肉部１ａの温度降下がゆるやかとなって厚肉部１ｃとほぼ等しくなる。これにより、薄肉部１ａも厚肉部１ｃとほぼ等しく熱処理され、図１の下側のグラフに示すように機械的特性が均一となる。
【００１６】
以上に、移動速度を変化させることにより、薄肉部１ａ、厚肉部１ｃがほぼ等しく熱処理され、機械的特性が均一となる理由を説明したが、実際の操業に当たっては、実験によって、薄肉部１ａ及び厚肉部１ｃのそれぞれの移動速度を定めればよい。また、図１において、中間のテーパ部１ｂにおける移動速度Ｖb は、その前後の速度Ｖa 、Ｖｃを結ぶ直線となるように変化させればよいが、このように速度変化させることが困難な場合には、二点鎖線７′で示すように、テーパ部１ｂ内の適当な位置で、速度をＶa からＶｃに変化させるようにしてもよい。通常、薄肉部１ａと厚肉部１ｃの間に位置するテーパ部１ｂは短いので、この部分は多少ラフな制御を行っても機械的物性にさほど大きい影響を与えることがなく、支障はない。
【００１７】
なお、冷却手段４による冷却熱量を、金属条材の肉厚の薄い領域では厚い領域よりも小さくすることでも機械的物性の改善を図ることができる。移動速度を一定として熱処理を行った場合、冷却熱量が一定であると、薄肉部１ａと厚肉部１ｃとの温度分布はそれぞれ、図２に線１５′、線１６で示すようになり、薄肉部１ａでは温度分布が急激となる。これに対し、薄肉部１ａにおける冷却熱量を減少させると、温度がゆるやかに低下し、温度分布は線１５′から線１５に接近した状態となる。これにより、薄肉部１ａについても厚肉部１ｃと同様の熱処理が行われ、機械的物性がほぼ均一となる。この現象は移動速度を変化させた場合にも生じるので、前記した移動速度を変化させる構成とした実施の形態に、或いは後述する加熱部の到達温度を変化させる構成とした実施の形態に、冷却熱量を変化させる技術を組み合わせ、機械的物性の均一化を図ることもできる。冷却手段４による冷却熱量を変化させるには、冷却手段４が条材１に噴射する冷却媒体３の噴射量を変化させればよい。なお、この冷却手段４の冷却媒体噴射量を変化させる量も実験的に定めればよい。また、薄肉部１ａと厚肉部１ｃの間にあるテーパ部１ｂにおける冷却熱量は、徐々に変化するようにしてもよいし、或いはテーパ部１ｂ内の適当な位置で、急激に変化させるようにしてもよい。
【００１８】
本発明の更に他の実施の形態は、加熱手段２が昇温させる加熱部５の到達温度を、金属条材の肉厚の薄い領域では厚い領域よりも低くするものである。図７で説明したように、薄肉部１ａと厚肉部１ｃを同一温度に加熱し且つ同一の移動速度、同一の冷却熱量で熱処理した場合、薄肉部１ａでは温度が急激に低下し、その結果、硬度が増加し、伸びが低下した特性となってしまう。ところで、本発明者等が加熱部５の到達温度（最高温度）を変化させ、その他の条件を一定として熱処理テストを行ったところ、図３に示すように、到達温度を高めると、硬度が増加することが判明した。従って、図４のグラフに線８で示すように、薄肉部１ａは低い到達温度とし、厚肉部１ｃは高い到達温度とすることにより、薄肉部１ａと厚肉部１ｃとを、図４のグラフに示すようにほぼ同じ機械的特性となるように熱処理できる。なお、この場合における到達温度条件も、実験的に求めて定めればよい。また、薄肉部１ａと厚肉部１ｃの間にあるテーパ部１ｂにおける到達温度は、徐々に変化するようにしてもよいし、或いはテーパ部１ｂ内の適当な位置で、急激に変化させるようにしてもよい。
【００１９】
以上の説明では、薄肉部と厚肉部で移動速度のみを変えたり、到達温度のみを変えたりしている。しかしながら、本発明はこの場合に限らず、これらの特性を適宜組み合わせて変化させる形態で実施することも可能である。例えば、薄肉部では厚肉部に比べて、移動速度を低くし且つ処理温度を低くするとか、更に冷却熱量を減少させる等の組み合わせを行うことも可能である。
【００２０】
本発明の熱処理の対象とする金属条材の材質は、熱処理が有効なものであれば任意であり、通常は鋼である。また金属条材の形状は、細長い板状のもの、断面Ｈ形、Ｉ形、Ｌ形、円筒形、角筒形のものなど任意である。
【００２１】
【実施例】
以下実施例及び比較例を説明する。
【００２２】
〔実施例１〕
(1) 供試条材１
材質ＳＳ４００の板材（厚さ１０ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ１ｍ）の長手方向の一端側に据込み加工を施して、図１に示すように、長さ約３５ｍｍのテーパ部１ｂと、長さ約２００ｍｍ、厚さ２０ｍｍの厚肉部１ｃを形成し、供試条材１とした。この条材１の各部の機械的特性は表１に示す通りであった。なお、表１における数値は、３個の供試条材の平均値である。
【００２３】
【表１】
0003739485.tif 000002
【００２４】
(2) 熱処理装置
加熱手段２：誘導加熱コイル（加熱幅Ｗ  ３０ｍｍ）
印加周波数  ６ｋＨｚ
冷却手段４：水噴射方式
【００２５】
(3) 熱処理
図１に示すように、条材１の薄肉部１ａに加熱手段２及び冷却手段４をセットし、その加熱手段２及び冷却手段４を作動させた状態で条材１に沿って厚肉部１ｃに向かって移動させ、熱処理を行った。この時、到達温度（加熱部５の最高温度）はほぼ１０００°Ｃに保持し、冷却水量もほぼ３リットル／ｍｉｎ／ｃｍに保持し、移動速度のみを薄肉部１ａでは１．０ｍｍ／ｓ、厚肉部１ｃでは１．５ｍｍ／ｓ、テーパ部１ｂでは、薄肉部１ａにおける速度から厚肉部１ｃにおける速度になるようになだらかに変化させた。
【００２６】
(4) 結果
熱処理後の条材１の機械的物性を測定したところ、表２に示し且つ図１のグラフに示すようになっており、薄肉部１ａ、厚肉部１ｃでほぼ均一となっていた。なお、表２における数値は、３個の条材１の平均値である。
【００２７】
【表２】
0003739485.tif 000003
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
〔実施例２〕
(1) 供試条材１
実施例１と同じ
(2) 熱処理装置
実施例１と同じ
【００３３】
(3) 熱処理
図４に示すように、条材１の薄肉部１ａに加熱手段２及び冷却手段４をセットし、その加熱手段２及び冷却手段４を作動させた状態で条材１に沿って厚肉部１ｃに向かって移動させ、熱処理を行った。この時、到達温度（加熱部５の最高温度）のみを薄肉部１ａでの９５０°Ｃから厚肉部１ｃでの１０５０°Ｃまで変化させ、移動速度はほぼ１．５ｍｍ／ｓで一定に保持し、冷却水量もほぼ２．５リットル／ｍｉｎ／ｃｍで一定に保持した。
【００３４】
(4) 結果
熱処理後の条材１の機械的物性を測定したところ、表３及び図４のグラフに示すようになっており、薄肉部１ａ、厚肉部１ｃでほほ均一となっていた。なお、表３における数値も、３個の条材１の平均値である。
【００３５】
【表３】
0003739485.tif 000004
【００３６】
〔実施例３〕
(1) 供試条材１
実施例１と同じ
(2) 熱処理装置
実施例１と同じ
【００３７】
(3) 熱処理
図５に示すように、条材１の薄肉部１ａに加熱手段２及び冷却手段４をセットし、その加熱手段２及び冷却手段４を作動させた状態で条材１に沿って厚肉部１ｃに向かって移動させ、熱処理を行った。この時、到達温度（加熱部５の最高温度）を薄肉部１ａでの９２５°Ｃから厚肉部１ｃでの１０００°Ｃまで変化させ、移動速度も薄肉部１ａでの１．２５ｍｍ／ｓから厚肉部１ｃでの１．５ｍｍ／ｓまで変化させ、冷却水量のみをほぼ３リットル／ｍｉｎ／ｃｍで一定に保持した。
【００３８】
(4) 結果
熱処理後の条材１の機械的物性を測定したところ、表４及び図５のグラフに示すようになっており、薄肉部１ａ、厚肉部１ｃでほぼ均一となっていた。なお、表４における数値も、３個の条材１の平均値である。
【００３９】
【表４】
0003739485.tif 000005
【００４０】
〔比較例１〕
(1) 供試条材１
実施例１と同じ
(2) 熱処理装置
実施例１と同じ
【００４１】
(3) 熱処理
図６に示すように、条材１の薄肉部１ａに加熱手段２及び冷却手段４をセットし、その加熱手段２及び冷却手段４を作動させた状態で条材１に沿って厚肉部１ｃに向かって移動させ、熱処理を行った。この時、薄肉部１ａから厚肉部１ｃまで到達温度（加熱部５の最高温度）は１０００°Ｃで一定に保ち、移動速度も１．５ｍｍ／ｓで一定に保ち、冷却水量も３リットル／ｍｉｎ／ｃｍで一定に保った。
【００４２】
(4) 結果
熱処理後の条材１の機械的物性を測定したところ、表５及び図６のグラフに示すように、厚肉部１ｃでは硬度が低下し、伸びが高くなって、良好な靱性が確保されていたが、薄肉部１ａでは硬度が増加し、伸びが低下していた。なお、表５における数値も、３個の条材１の平均値である。
【００４３】
【表５】
0003739485.tif 000006
【００４４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、薄肉部と厚肉部を有する金属条材に対して、加熱手段と冷却手段を相対的に移動させて熱処理するに際し、熱処理後における前記金属条材の機械的特性を長手方向にほぼ均一とするように、前記加熱手段及び冷却手段が金属条材に加える熱処理条件、例えば、加熱手段及び冷却手段の金属条材に対する相対的移動速度、加熱手段による加熱温度などを、金属条材の肉厚に応じて変化させるように構成したことにより、１回の熱処理操作によって薄肉部と厚肉部を、ほぼ均一な機械的特性となるように熱処理することができ、金属条材の薄肉部、厚肉部を共に、所望の機械的特性とすることができるという効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の一形態を示すもので、金属条材を熱処理する状態を示す概略断面図及びその時の熱処理条件と得られた機械的特性を示すグラフ
【図２】  金属条材を熱処理する状態を示す概略断面図及び図１に示す熱処理条件で金属条材を処理する時の温度分布及び温度変化を示すグラフ
【図３】  熱処理時の処理温度と硬度の関係を示すグラフ
【図４】  本発明の実施の他の形態を示すもので、金属条材を熱処理する状態を示す概略断面図及びその時の熱処理条件と得られた機械的特性を示すグラフ
【図５】  本発明の実施の更に他の形態を示すもので、金属条材を熱処理する状態を示す概略断面図及びその時の熱処理条件と得られた機械的特性を示すグラフ
【図６】  従来の方法を適用して金属条材を熱処理する状態を示す概略断面図及びその時の熱処理条件と得られた機械的特性を示すグラフ
【図７】  金属条材を熱処理する状態を示す概略断面図及び図６に示す熱処理条件で金属条材を処理する時の温度分布及び温度変化を示すグラフ
【符号の説明】
１  金属条材
１ａ  薄肉部
１ｂ  テーパ部
１ｃ  厚肉部
２  加熱手段
３  冷却媒体
４  冷却手段
５  加熱部
【図１】
0003739485.tif 000007
【図２】
0003739485.tif 000008
【図３】
0003739485.tif 000009
【図４】
0003739485.tif 000010
【図５】
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【図６】
0003739485.tif 000012
【図７】
0003739485.tif 000013