(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
JIS G 4805に規定される高炭素クロム軸受鋼鋼材、JIS G 4051に規定される機械構造用炭素鋼鋼材またはJIS G 4104に規定されるクロム鋼鋼材の成分中、特にＣおよびCrについて
Ｃ：0.1 〜1.2 mass％、
Cr：0.25〜1.60mass％
の範囲で含有する低合金鋼鋼材に、熱間圧延を最終仕上温度：900〜1200℃の条件で行って線材とし、次いで（ Ar1変態点−30℃）以下の温度まで冷却した後、この線材を加熱、冷却して球状化焼なましを行うに当たり、
上記線材の加熱の際に、最高加熱温度を（ Ac1変態点＋30℃）〜（ Ac1変態点＋70℃）の温度範囲とし、かつ、（ Ar1変態点−30℃）の温度から当該最高加熱温度までの加熱速度を1.0 ℃／秒以下とし、
次いで、上記最高加熱温度から（Ar1変態点）以下の温度までを0.2〜５℃／秒の冷却速度で連続的に冷却することを特徴とする低合金線材の直接球状化焼なまし方法。
【請求項２】
上記冷却速度を、0.2〜５℃／秒の範囲内で、線材中の過飽和な炭素含有量に応じて定めることを特徴とする請求項１記載の低合金鋼線材の直接球状化焼なまし方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、合金鋼線材の直接球状化焼なまし方法に関し、とりわけ熱間圧延後、直接球状化焼なましを施す場合に、簡単な方法で焼なまし時間の有利な短縮を図ろうとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、合金鋼線材を冷間で鍛造または切削して成形を行う機械部品は、鋼線材のスケール除去を目的とした一次酸洗を行った後、球状化焼なましを行い、次いで、この球状化焼なましにより生じた脱炭層及びスケールの除去を目的とした二次酸洗を行い、更に寸法精度の向上を目的として約10％程度の伸線加工を行った後に潤滑処理を施して成形加工される。
上記したような合金鋼線材の球状化焼なましは、成形加工時の材料の硬さを十分に低下させて良好な加工性を確保する上で不可欠のプロセスであり、通常は、線材をコイルに巻いた状態でポット炉に装入し、所定の熱履歴を付与することにより行われる。
【０００３】
しかしながら、上記の球状化焼なまし法には、以下に述べるような問題があった。
(a) コイルに巻いた状態で加熱または冷却する熱履歴を付与するため、昇温・冷却に長時間（通常、20〜30時間程度）を要し、しかもバッチ処理であるから生産性が低く、熱処理コストが嵩む。
(b) コイル内の各部位で熱履歴が大幅に異なるため、焼なまし後の線材品質のばらつきが大きい。
(c) 生産性を向上させるためにコイル重量を大きくしても、大重量のコイルを処理するためには、より大型のポット炉が必要となることから、過剰な設備投資が必要になるだけでなく、その維持のためのコストが大幅に増大する。
【０００４】
上記の問題を解消するものとして、特開昭６３−２３０８２１号公報には、Ｃ：0.10〜1.00mass％を含有する鋼片を熱間圧延し、仕上圧延機群の入側における被圧延材の温度を 650〜850 ℃となし、仕上圧延機群の出側における前記被圧延材の最終仕上温度を 750〜900 ℃となして鋼線材を調整し、次いで、前記鋼線材を２℃／秒以上の冷却速度で 650℃以下の温度まで冷却し、次いで、冷却された前記鋼線材を２℃／秒以上の加熱速度でAc1 〜Ac1 ＋160 ℃の温度域まで加熱し、そして、前記温度域において５分間以内の時間保持し、次いで前記温度域に加熱、保持された前記鋼線材を、
１) 任意の冷却速度でAr1 〜Ar1 −160 ℃の温度まで冷却し、そして、前記温度域において５〜60分間の時間保持するか、または
２) 任意の冷却速度でAr1 の温度まで冷却し、次いで、前記温度に冷却された前記鋼線材を、２℃／秒以下の冷却速度でAr1 −80℃の温度まで冷却する
ことを特徴とする熱間圧延鋼線材の直接球状化処理方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特開昭６３−２３０８２１号公報に開示の方法では、球状化時間の短縮を目的として、微細なオーステナイト組織を得て、パーライト析出サイトを増大させることにより、オーステナイトからフェライトへの変態を促進する方法を採っている。
このため、仕上圧延前後の温度をかなり低くする必要があり、仕上圧延前に水冷ゾーンを設置したり、圧延機の能力を増大させるといった設備の新規な設置や改造が不可欠であるため、設備費が著しく嵩むところに問題を残していた。
【０００６】
この発明の主たる目的は、安価な設備の下で、繁雑な圧延制御を行う必要なしに直接球状化組織を得ることができる、合金鋼線材の直接球状化焼なまし方法を提案することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、上記の目的に鑑み、設備費の増加を招かないことおよび繁雑な圧延制御を行う必要がないことを前提として、合金鋼線材の直接球状化焼なまし方法（線材圧延後、引き続きオンラインで球状化焼なましを行う方法）について検討を行った。
【０００８】
一般的に、球状化焼なましとは、材料をAc1 変態点以上に加熱して層状のパーライトの一部を固溶させた後、Ar1 変態点を徐冷（徐冷法）又はAr1 変態点以下に等温保持（２段法）して、フェライト中と比較して過飽和に固溶したオーステナイト中のＣを残留炭化物の核をもとに析出させる熱処理である。このように、球状化焼なまし法としては、徐冷法と２段法とが知られていて、それぞれ図１(a), (b)に熱履歴が示される。この徐冷法及び２段法による球状化焼なまし処理時間は、図１においてそれぞれＹで示す処理時間を要する。
ここで重要なことは、冷却中は新しい核は生成しないので、徐冷前の残留炭化物の数と最終的に得られる球状化炭化物の数とが等しいことである。
【０００９】
さて、完全な球状化組織を得るために必要な時間は、図１においてＸで示す加熱後の残留炭化物が多いほど短くなる。このため、焼なまし時間の短縮化には、一般に、図１のＸで示す時点での残留炭化物を多くすることが必要であると考えられる。しかし、この残留炭化物が多過ぎると、焼なまし後の線材の硬度が所定の値まで下がらないという問題が出てくる。これは、残留炭化物が多いほどパーライト析出サイトが増えるために変態は促進され、焼なまし処理時間は短くなるものの、最終的に得られる炭化物の個数が多くなる傾向がある。この炭化物による分散強化が行われるために、硬度が十分に下がらないものと考えられる。したがって、処理時間の短縮と十分な軟化を同時に達成する直接球状化焼なまし法が要請される。
【００１０】
ここに、発明者らは、球状化焼なましにより硬さを十分に低下させ、かつ、その球状化焼なまし時間を効果的に短縮するには、球状化焼なましの温度パターンを厳密に制御することが重要であることを見いだした。すなわち、仕上圧延前後における温度を格別に低くしなくとも、上述の球状化焼なまし時の加熱温度範囲及び各温度に対応する加熱速度、冷却時における冷却速度と冷却停止温度を所定の範囲に規制することにより、加熱後の残留炭化物の個数が同じであっても、処理時間が短くなることの知見を得た。かくして、処理時間を短くして硬さも満足する球状化焼なまし条件を設定することができた。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１１】
すなわち、この発明は、JIS G 4805に規定される高炭素クロム軸受鋼鋼材、JIS G 4051に規定される機械構造用炭素鋼鋼材またはJIS G 4104に規定されるクロム鋼鋼材の成分中、特にＣおよびCrについて
Ｃ：0.1 〜1.2 mass％、
Cr：0.25〜1.60mass％
の範囲で含有する低合金鋼鋼材に、熱間圧延を最終仕上温度：900〜1200℃の条件で行って線材とし、次いで（ Ar1変態点−30℃）以下の温度まで冷却した後、この線材を加熱、冷却して球状化焼なましを行うに当たり、
上記線材の加熱の際に、最高加熱温度を（ Ac1変態点＋30℃）〜（ Ac1変態点＋70℃）の温度範囲とし、かつ、（ Ar1変態点−30℃）の温度から当該最高加熱温度までの加熱速度を1.0 ℃／秒以下とし、
次いで、上記最高加熱温度から（Ar1変態点）以下の温度までを0.2〜５℃／秒の冷却速度で連続的に冷却することを特徴とする低合金線材の直接球状化焼なまし方法。
【００１２】
この発明においては、上記冷却速度を、0.2〜５℃／秒の範囲内で、線材中の過飽和な炭素含有量に応じて定めることが、より好ましい。
【００１３】
ここで、鋼線材の圧延後の球状化焼なましは、１本通しあるいは数ループ単位で行うほうが、加熱および冷却が短時間で済むだけでなく、温度の制御も容易である。もっとも、コイル状態あるいは棒鋼でもこの発明を適用すれば球状化時間の短縮が図れることは言うまでもない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明について具体的に説明する。
まず、この発明で対象とする鋼材について説明すると、この発明は、製造過程において球状化焼なまし処理を不可欠とする機械部品用の鋼材、すなわち高炭素クロム軸受鋼鋼材（JIS G 4805；例えばSUJ2）、機械構造用炭素鋼鋼材（JIS G 4051；例えばS45C）およびクロム鋼鋼材（JIS G 4104；例えばSCr420）に適用することができる。
【００１５】
次に、上記したような機械部品用鋼材について、その成分中、特にＣ及びCrを上記の範囲に限定した理由について説明する。
Ｃ：0.1 〜1.2 mass％
Ｃは固溶して基地を強化し、機械部品としての十分な強度、耐摩耗性を向上させる有用な成分である。Ｃ含有量が0.1 mass％未満では、冷間加工前に球状化焼なましを行う必要がないことから、Ｃの下限は 0.1mass％とした。一方、Ｃが 1.2mass％を超えると初析セメンタイトがネット状に析出し、冷間加工性が劣化することから、Ｃの上限は 1.2mass％とした。
【００１６】
Cr：0.25〜1.60mass％
Crは、鋼材の焼入れ性改善と炭化物の球状化のために有効に寄与する。Cr含有量が0.25mass％未満ではその効果が小さく、いかに球状化焼なまし条件を変化させても層状パーライトが析出するため良好な球状化組織は得られない。一方、Cr量が1.60mass％を超えると切削性の低下及び化学組成からみてコストアップとなるので、Cr量は0.25〜1.60mass％の範囲で添加するものとした。
以上、必須成分について説明したが、この発明では、これら２成分が上記の範囲を満足していれば、その他の成分については特に限定されることはなく、前述した機械部品用鋼材の組成範囲内で、各鋼材において必要とされる特性値に応じて適宜含有させることができる。
【００１７】
次に、この発明において、圧延条件及び球状化焼なまし条件を前記の範囲に限定した理由について説明する。
仕上圧延温度：900 〜1200℃
この発明では、仕上圧延温度が 900℃未満でも、この発明の目的である直接球状化組織を得ることは可能であるが、低すぎると熱間圧延時の変形抵抗が増大し圧延機の増強が必要となるため、 900℃以上とした。一方、仕上圧延温度が1200℃を超えると脱炭量が多くなり、また、表面欠陥が急激に増加するため1200℃を上限とした。
【００１８】
冷却停止温度：（ Ar1変態点−30℃) 以下
直接球状化のためには、圧延後の組織を一旦、微細パーライトまたはベイナイトやマルテンサイトを主体とする組織としなければならない。そのためには、圧延後の冷却停止温度をAr1 変態点以下とする必要があり、温度制御の観点から少なくともAr1 変態点−30℃以下とした。
【００１９】
最高加熱温度を（ Ac1変態点＋30℃）〜（ Ac1変態点＋70℃）の温度範囲とし、かつ、（ Ar1変態点−30℃）の温度から当該最高加熱温度までの加熱速度を1.0℃／秒以下とすること、
この条件は、本発明の大きなポイントの１つである。球状化焼なまし後の硬さは、残留炭化物の数に依存し、数が少なくなるにつれて、すなわち、炭化物の径が大きくなるにつれて軟らかくなる傾向にある。このため、材料の硬さを低下させるためには、加熱の段階から炭化物の個数を減らす必要がある。このためには、加熱速度を遅くして、徐々に変態を行わせて炭化物を一部溶解させ、Ｃを母相に十分固溶されることが効率的かつ重要である。
【００２０】
加熱温度範囲と加熱速度を種々に変化させて球状化の程度、硬さ及び処理時間を調べたところ、最高加熱温度を（ Ac1変態点＋30℃）〜（ Ac1変態点＋70℃）の温度範囲とし、かつ、（ Ar1変態点−30℃）の温度から当該最高加熱温度までの加熱速度を1.0 ℃／秒以下とすることが必要であることが分かった。最高加熱温度が高過ぎると、残留炭化物の数が少なくなり過ぎて硬さは低くなるものの、変態時間が大幅に増加してしまったり、残留炭化物がなくなって球状化自体が達成されず、次の冷却過程で層状のパーライトが析出したりするため、加熱温度の上限を（ Ac1変態点＋30℃）〜（ Ac1変態点＋70℃）の範囲とした。
【００２１】
加熱速度は、加熱温度範囲と密接な関係があり、（ Ar1変態点−30℃）の温度から当該最高加熱温度までの加熱速度が1.0 ℃／秒を超えると、十分な変態が起こらず、一部の炭化物の溶解も不十分である。このため、加熱速度は1.0 ℃／秒以下とした。加熱速度の下限については特に規定しないが、処理時間短縮の点から好ましくは0.1 ℃／秒である。かかる加熱時の温度範囲の下限を（ Ar1変態点−30℃）としたのは、これより低い温度では処理時間が増えるばかりであり、しかも、（ Ar1変態点−30℃）というのは、炭化物を母相に固溶させつつ徐々に変態を行うに十分に低い温度であるためである。
【００２２】
更に上記最高加熱温度から（Ar1 変態点）以下の温度までを0.2 〜５℃／秒の冷却速度で連続的に冷却すること
球状化を促進させるには、冷却中にパーライトを析出させるのではなく、残留炭化物を核として球状炭化物を析出、成長させる必要がある。そのためには、冷却速度、冷却停止時間の選定が重要である。安定的に球状化した炭化物を得るためには、Ar1 変態点以下の温度まで５℃／秒以下の速度で冷却することが必要である。冷却速度が速過ぎる場合、また、冷却停止温度があまりに高過ぎる場合は、いずれも層状のパーライトが析出し不良な球状化組織が得られるため、上述の範囲に設定した。冷却速度の下限については、処理時間短縮の点から0.2 ℃／秒以上である。
【００２３】
この発明では、上述の冷却速度を、0.2〜５℃／秒の範囲内で、線材中の過飽和な炭素含有量に応じて定めることが、より好適である。
良好な球状化組織を得るためには、析出させるべき過飽和なＣ量に応じた冷却速度を設定することが有利である。すなわち、前述の過飽和なＣ量が多い場合には、残留炭化物を核として球状炭化物を析出させ、十分に成長させるには、冷却速度を小さくすることが好ましい。また、過飽和なＣ量が少ない場合には、冷却速度を大きくすることができ、処理時間の短縮が図られる。安定的に球状化した炭化物を得るためには、少なくとも５℃／秒以下、下限については処理時間短縮の観点から0.2 ℃／秒以上である。
【００２４】
【実施例】
表１に示す成分組成を有し、同表に示すAc1 変態点、Ar1 変態点になる鋼を、転炉にて溶製後、連続鋳造により 400mm×560 mmのブルームとした。次いで、図２に示す (a)〜(g) の製造条件で6.50mmφの線材とした。
なお、ブルームの一部は、熱間圧延により6.85mmφの線材とし、コイルに巻き取って室温まで放冷したのち、通常条件（図１(a) 長時間の徐冷法）で球状化焼なましを行い、更に酸洗・潤滑処理後に6.50mmφに伸線した（従来法１）。また、特開昭６３−２３０８２１号公報に開示の方法に従って、6.50mmφの線材を製造した（従来法２）。
【００２５】
【表１】
0003815095.tif 000002
【００２６】
上記した6.50mmφの線材から顕微鏡観察試料を採取し、ピクラールにて腐食後にミクロ組織の観察を行うとともに、球状化率の測定を行った。球状化率は、走査型電子顕微鏡により 8000 倍で観察・撮影し、500 個以上の炭化物について長径と短径とを個々に測定し、長径／短径の比が 2.0以下の炭化物個数が全炭化物個数に占める割合を球状化率として％で示した。
また、６mmφ×８mmのサンプルを切り出し、冷間で圧縮した場合のサンプルの表面割れ発生状況の目視検査により、冷間鍛造性を評価した。
得られた結果を表２に示す
【００２７】
【表２】
0003815095.tif 000003
【００２８】
製造条件(a) は比較例であり、圧延仕上温度が1250℃と、この発明範囲より高いことから、脱炭量が大きく、表面きずが発生している。
また、製造条件(b) も比較例であり、最高加熱温度がAc1 変態点＋90℃と、この発明の範囲より高いことから、残留炭化物量が極めて少なくなり、層状パーライトが生じ、従来例に比べて球状化率が低下するとともに硬さが高くなっている。
さらに、製造条件(c-1) ，(c-2) および(d) も比較例であり、加熱速度が2.0℃／秒と大きい、加熱開始温度がAr1 変態点と高いあるいは、加熱速度が10℃／秒と大きいため、変態が不十分であり残留炭化物の溶解が比較的進まず、最終的に得られる炭化物個数が多く、硬さが高くなっている。
【００２９】
一方、製造条件(e) は、圧延温度及びその後の熱履歴は、この発明の適正範囲を満足しているが、Ａ-1鋼、Ｂ-1鋼およびＣ-1鋼はいずれも、Ｃ含有量がこの発明の下限を満たしていない。そのため、良好な球状化組織が得られず、パーライトが析出しており、従来例に比べて球状化率が低下するとともに、硬さが高くなっている。
【００３０】
これに対し、製造条件(e) 〜(g) により得られたＡ-2鋼、Ｂ-2鋼及びＣ-2鋼は、この発明の適合例であり、いずれも冷却中に変態が完了できており、従来例と同様以上の球状化率と、同等以下の硬さを得ることができた。また、(e), (f)を比較すると、No.9, 10, 20, 21, 31, 32の場合、Ｃ量が多くなるにつれて冷却速度を低下することにより、硬さが一層低下していることがわかる。
【００３２】
【発明の効果】
かくして、この発明によれば、圧延温度を低下させる必要なく、また短時間で球状化組織を安定して得ることができ、その結果、設備の増大等を招くことなしに、生産性を格段に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一般的な球状化焼なましにおける熱履歴を示したもので、(a) は徐冷法、(b) は２段法である。
【図２】  球状化焼なましにおける熱処理条件を示した図である。
【図１】
0003815095.tif 000004
【図２】
0003815095.tif 000005