JP4254337B2

JP4254337B2 - 曲がりの少ない棒鋼の焼入方法

Info

Publication number: JP4254337B2
Application number: JP2003133467A
Authority: JP
Inventors: 厚志安井; 光浩安藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2023-05-12
Also published as: JP2004332089A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、棒鋼を焼入する際に曲がりの少ない焼入をする方法、特に平角棒鋼の焼入れに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に棒鋼を焼入する際には、冷却の不均等や変態応力により焼入れ後に曲がりが生じる。そのため焼入れ後に曲がり取りが必要となり多くの工数を要していた。これに対し従来から現場では、曲がりの少ない焼入れをする工夫がされてきた。とくに平角棒鋼では、この曲がりを防止する焼入方法の一つとして冷却板で挟んで冷却するプレス焼入が行われている。しかし棒鋼が厚い場合や焼入性の悪い棒鋼の場合は、板挟みでは急冷能力が不足するために完全な焼入が行われ難い。そのために、このような棒鋼の焼入れには、棒鋼の表裏を均等に冷却液噴射して曲がりの生じない焼入れが努力されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、いくら精密に管理しても棒鋼の表面状況や寸法の変動による冷却速度の変動、変態の進行の差による変態応力による曲がりなどがあり、従来は焼入れ時の曲がりを防止することは困難であった。
【０００４】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、曲がりの少ない棒鋼の焼入方法、特に平角棒鋼の焼入方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明の曲がりの少ない棒鋼の焼入方法は、被焼入棒鋼を焼入温度からＭｓ点直上の温度まで急冷し、該Ｍｓ点直上の温度から被焼入棒鋼を長手方向に配設された複数のプレスの下で長手方向に往復動させ、プレス圧下の位置を変えてプレス矯正荷重の圧下と開放を繰り返しながら緩やかに冷却することを特徴とするものである。
【０００６】
すなわち、本発明の曲がりの少ない棒鋼の焼入方法は、焼入温度からＭｓ点直上の温度まで冷却液噴射などの方法により急冷（以下高温域急冷という）するので、従来のプレス焼入では困難な肉厚が厚い棒鋼や焼入性の悪い棒鋼でも、この領域の冷却時のパーライト変態やベイナイト変態を防止して、以後のマルテンサイト変態を促進し完全な焼入ができる。
【０００７】
また、本発明では前記Ｍｓ点直上の温度からの冷却（以下中温域冷却という）は緩やかに冷却される。この温度範囲を緩やかに冷却することにより、マルテンサイト変態が均一かつ緩やかに行われるので、焼き割れが防止され変態による曲がりが減少できる。
【０００８】
このＭｓ点直上の温度からの冷却（中温域冷却）の際に、被焼入棒鋼を長手方向に往復動させてプレスで圧下する位置を変えながら、矯正荷重の圧下と開放を繰り返すことにより小曲がりが修正できる。この温度範囲では曲がり取りが容易である。この時の曲がり取りは後述するアンビルロールとラムにより構成されるプレスにより被焼入棒鋼を移動して矯正することが望ましい。ここで小曲がりの矯正とは、被焼入棒鋼の波状の曲がりの矯正の他に、弧状の曲がりを部分的に矯正しながら行う曲がり取りも含めていう。
【０００９】
また本発明の曲がりの少ない棒鋼の焼入方法は、平角棒鋼の焼入において、被焼入平角棒鋼を焼入温度から急冷する際に、該平角棒鋼の表裏の冷却速度に差を設けて該平角棒鋼が全長長手方向に表裏いずれかの側に凸または凹に１ｍにつき１〜１０ｍｍの弧状に曲がるようにしてＭｓ点直上の温度まで急冷し、前記Ｍｓ点直上の温度から該平角棒鋼を長手方向に配設された複数のプレスの下で長手方向に往復動させ、プレス圧下の位置を変えてプレス矯正荷重の圧下と開放を繰り返しながら緩やかに冷却することを特徴とするものである。
【００１０】
このように平角鋼棒の焼入の場合には、高温域急冷の際に平角棒鋼が全長長手方向に表裏いずれかの側に凸または凹に少量の弧状に曲がるように冷却することが望ましい。この弧状に曲げるためには、該棒鋼の表裏面の冷却液量を変えるなど表裏面の冷却速度に差を設けて表裏面の収縮量を変えることにより行う。通常は棒鋼の表裏面を冷却する場合、表面の方が冷却されやすいので、表裏面を同じ冷却量で冷却すると冷却時に棒鋼はＵ字形に大きく曲がる。そこで本発明では上下面（上面を表面、下面を裏面とする）の冷却液量をコントロールすることにより曲がりの量を適正にする。このように棒鋼全長を適量に弧状に曲げることにより小曲がりが減少するので、マルテンサイト変態中の小曲がり取りが容易になる。この少量の弧状の曲がり量は長さ１ｍにつき１〜１０ｍｍ程度にするのが適当である。なお弧状の曲がりは表裏面のいずれの方向でもよいが、後述のロールプレスを使用の場合、棒鋼の送りのためには棒鋼の両端が上方向に曲がるようにすることが望ましい。
【００１１】
前記焼入温度からＭｓ点直上の温度までの高温域急冷は、被焼入棒鋼をプレスにより拘束しながら行うことが望ましい。これにより、急冷の際の変形が拘束されて曲がりが防止される。拘束方法については後述する。
【００１２】
前記Ｍｓ点直上の温度からの緩やかな冷却（中温域冷却）は、少なくも（Ｍｓ−５０）℃の温度まで行うことが望ましい。Ｍｆ点に到達する前の（Ｍｓ−５０）℃の温度間での冷却は焼入れ性状に大きく影響を与え、高くてもこの温度範囲までを緩やかに冷却することにより、前述のように焼き割れが防止され変態による曲がりが減少できる。かつＭｆ点まで冷却することにより十分にマルテンサイト変態を進行させ、高い焼入硬さを得ることができる。
【００１３】
また、前記したＭｓ点直上の温度から少なくも（Ｍｓ−５０）℃の温度まで緩やかに冷却した後は、その温度から急冷（以下低温域急冷という）することが望ましい。すなわち高くても（Ｍｓ−５０）℃の温度から被焼入棒鋼の表面を冷却液噴射などにより、ほぼ常温まで急冷（低温域急冷）して完全にマルテンサイト変態を終了させるものである。この急冷は被焼入棒鋼をプレスにより拘束しながら行うことが曲がりを減少するために一層望ましい。
【００１４】
上記のＭｓ点直上の温度とは、マルテンサイト変態の開始する直前の温度をいい、高くても（Ｍｓ＋１００）℃の温度である。また、ここで急冷とは、単なる放冷ではなく、例えば冷却液噴射などによる強制冷却をいう。また、緩やかな冷却とは、上記急冷より遅い速度で、例えば空冷程度をいい、０．５℃／ｓｅｃ程度の冷却速度をいう。
【００１５】
また、上記した被焼入棒鋼の拘束とは、該棒鋼をプレスのラムとアンビルとの間に挟んで棒鋼の曲がりを防止するなどの棒鋼の変形を防止することをいう。また、ここでいう焼入には、オーステナイト鋼の溶体化処理などの高温から急冷する熱処理をも含むものである。
【００１６】
また、本発明の曲がりの少ない棒鋼及び平角棒鋼の焼入方法において、被焼入棒鋼の変形を拘束するプレスは、被焼入棒鋼の長さ方向に間隔をおいて配列された複数のアンビルロールと、これに対応して配列されアンビルロールに対向して往復動するラムとからなり、該アンビルロールは、その上に載置された被焼入棒鋼を長さ方向に往復動のオッシレ−ト運動をさせ、前記被焼入棒鋼の拘束は前記アンビルロールとラムとにより被焼入棒鋼を挟んで行い、前記小曲がりの修正は被焼入棒鋼を往復オッシレ−ト運動させながらアンビルロールとラムによりプレスして行うことが望ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図示の実施形態について具体的に説明する。図１は本発明の曲がりの少ない棒鋼の焼入方法における冷却パターンの概念図、図２は焼入冷却における被焼入棒鋼（以下ワークという）の拘束の形態を示す図である。
【００１８】
まず図２に基づいて本実施形態に使用したプレスについて説明する。本実施形態で使用したプレスは、ワークＷの長さ方向に間隔をおいて配列された複数のアンビルロール１，１，…と、これに対応して配列されたラム２，２…からなり、ラム２がアンビルロール１に対向して図の上下方向に往復動して、アンビルロール１の上に載置されたワークＷを挟んで加圧し、冷却時のワークＷの変形を拘束したり、ワークＷの曲がりを修正したりする。また、アンビルロール１は回転してワークＷを搬送し、あるいは正逆回転してワークＷを長手方向に往復オッシレ−ト運動させる。
【００１９】
複数配列されたのアンビルロール１と、ラム２の間に上下に複数の噴射ノズル３，４が設けられている。上下の噴射ノズル３，４は、それぞれ別個に冷却液の噴射量、噴射圧力が変えられて表裏面に冷却液噴射してワークを冷却するようになっている。図では冷却液噴射ノズル３，４が上下１対のみ記載されているが通常複数設けらる。また、冷却液噴射ノズルは上下だけでなく左右にも設けてもよい。
【００２０】
次に図１及び２に基づいて焼入方法における冷却パターンについて説明する。図１には例として焼入温度９６０℃で、Ｍｓ点が３１０℃、Ｍｆ点が２３０℃の平角棒鋼（ＪＩＳ−ＳＵＳ４０３）の焼入れのパターンを示す。
【００２１】
焼入温度９６０℃に加熱された被焼入れ棒鋼Ｗ（以下ワークという）は、噴射ノズル３，４によりその表裏面に冷却液噴射されて、焼入温度からＭｓ点３１０℃の直上の温度４００℃まで２℃／ｓｅｃ程度の冷却速度で急冷される（以下高温域冷却という）。この高温域冷却における急冷により、Ｍｓ点までのパーライト変態などが抑止されて完全な焼入が可能になる。
【００２２】
この高温域冷却では、図２（ａ）のようにワークＷはアンビルロール１とラム２により加圧されて変形が拘束された状態で急冷される。このとき、上下の噴射ノズルの冷却液噴射圧力が等しいとワークの上側表面の冷却速度が下側裏面より大きくなるので、ワークの凹状の曲がりが大きくなる、そこで本発明では、冷却液の噴射圧力がコントロールされ、下噴射ノズル４の噴射圧力を上噴射ノズル３より大きくして下側の噴射液量が多くなるようにして冷却された。これによりワークの凹状の曲がりが適正にされる。
【００２３】
すなわち、図２（ｂ）のようにアンビルロール１とラム２が開放されると、ワークＷはわずかにＵ字形に曲り、この曲り量が長さ１ｍにつき１〜１０ｍｍになるように、上下の噴射ノズル３，４の噴射圧力を調整して冷却される。このようにワークを弧状に強制的に適量曲げておくことにより、以下の中温域冷却における小曲がり取りが容易になることが本発明の特徴の一つである。
【００２４】
高温域急冷においてワークの温度が、Ｍｓ点直上の４００℃まで下がると、冷却液噴射を止めてＭｆ点直上の温度２５０℃まで緩やかに冷却する（以下中温域冷却という）。ここで緩やかな冷却速度とは、空冷程度で０．５℃／ｓｅｃ程度の冷却速度をいう。これによりマルテンサイト変態が進行して焼入が行われる。このようにマルテンサイト域を緩やかに冷却することにより、マルテンサイト変態を完全に行わせながら急冷による焼き割れの発生が防止される。
【００２５】
この温度域では曲がり取りが容易なので、ここで冷却しながらワークの小曲がり取りを行う。ワークの小曲がり取りは、図２（ｃ）に示すようにアンビルロール１を正逆回転させてワークを長さ方向に往復動のオッシレート運動させてラム２がワークＷに当たる位置を変えながら、アンビルロール１とラム２により加圧して行う。ここで小曲がり取りとはワークの波状の曲がりの他、弧状の曲がりを部分的に分けて行うこともいう。
【００２６】
中温域冷却が進み、ワークの温度がＭｆ点直上の温度２５０（Ｍｓ−６０）℃に達すると、再び冷却液噴射を行ってワークをほぼ室温まで急冷（以下低温域急冷という）する。このとき、図２（ｄ）のようにワークをアンビルロール１とラム２により加圧して変形を拘束しながら冷却する。これによりほぼ曲がりのない焼入棒鋼が得られる。
【００２７】
【実施例】
以下に本発明の好ましい実施例として、ステンレス鋼ＳＵＳ４０３の平角棒鋼について焼入れを実施した結果を図３に示す。ここで曲がりの凹とはワークの両端が上に上がった弧状の曲がりでマイナス（−）数字ｍｍで示し、凸とは下がった弧状の曲がりでプラス（＋）数字で示す。図には従来方法による焼入の結果を比較例として示す。比較例の場合も下側の冷却液量を大きくして曲がりを少なくなるようにした。
【００２８】
焼入に供した素材は図３に示すように約４ｍの全長に対して５〜１３ｍｍの曲がりを有している。本発明の場合、この素材を焼入温度９６０℃に加熱し、前述のプレスでワークを拘束しながら冷却液噴射により３１８〜４００℃まで急冷した。高温域の冷却液噴射はノズルの噴射圧力を上側より下側を大きくして下側の冷却液量が多くなるようにして冷却した。これにより高温域冷却後の全長の曲がり量が凹の０〜３５ｍｍ（１ｍにつき０〜約９ｍｍ）になった。
【００２９】
試料Ｎｏ．１は、上記高温域から３６０〜４００℃で冷却液噴射を止めて、ワークを長手方向に往復オッシレーションしてプレスにより曲がり取りしながら緩やかに冷却した。
【００３０】
また、試料Ｎｏ．２〜５については、３１８〜３８０℃で冷却液噴射を止めてほぼ２５０℃まで空冷し、ワークを長手方向に往復オッシレーションしながらプレスにより曲がり取りした。この状態でワークの全長の曲がりはほぼ０になった。そして、続いてワークをプレスで拘束しながら、再び冷却液噴射によりほぼ常温まで急冷した。このときの冷却液噴射は上側量を大きくすると曲がりは凹になり、下側を大きくすると凸になった。
【００３１】
図３から判るように上記本発明の方法では、焼入れ後の曲がりを全長約４ｍに対して３ｍｍ以下に抑えることができることができた。これに対してワークを拘束してＭｆ点温度以下の約１４０℃まで急冷した比較方法の焼入の場合には、焼入れ後に全長で３０〜３５ｍｍの曲がりを生じた。このように本発明の方法によれば、大幅に焼入れの曲がりを減少できることが判った。
【００３２】
以上説明したように本発明の曲がりの少ない棒鋼の焼入方法によれば、焼入温度からＭｓ点直上の温度まで冷却液噴射などの方法により急冷（高温域急冷）されるので、従来のプレス焼入では困難な肉厚が厚い棒鋼や焼入性の悪い棒鋼でも完全な焼入ができる。
【００３３】
この高温域急冷中に被焼入棒鋼をプレスにより拘束することにより、急冷の際の変形が拘束されて曲がりが防止される。
【００３４】
また、Ｍｓ点直上の温度からの冷却（中温域冷却）が緩やかに行われるので、マルテンサイト変態が均一かつ緩やかに行われて、焼き割れが防止され変態による曲がりが減少される。
【００３５】
この中温域冷却では曲り取りが容易であり、冷却中に被焼入棒鋼を長手方向に往復動させてプレス圧下の位置を変えながら、矯正荷重の圧下と開放を繰り返して曲り取りすることにより小曲がりが修正される。
【００３６】
また、平角鋼棒の焼入の場合には、高温域急冷の際に平角棒鋼の上下面の冷却液量がコントロールされて表裏面が適量の弧状に曲がるように冷却される。このように適量な弧状に曲げられることにより小曲がりが減少し、中温域冷却中の小曲がり取りが容易になる。
【００３７】
前記Ｍｓ点直上の温度からの緩やかな冷却（中温域冷却）がＭｆ点に達する前の、好ましくはＭｆ直上の温度の高くても（Ｍｓ−５０）℃の温度まで行われることにより、十分にマルテンサイト変態が進行され、高い焼入硬さを得ることができる。
【００３８】
また、高くても（Ｍｓ−５０）℃の温度からの冷却（低温域冷却）は、被焼入棒鋼をプレスにより拘束しながら冷却液噴射などにより急冷されるので、曲がりが少なく完全にマルテンサイト変態が完了する。
【００３９】
これらにより、本発明の曲がりの少ない棒鋼の焼入方法によれば、曲がりが非常に少なく、均一、かつ十分な硬さに焼入れされた焼入棒鋼を得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の曲がりの少ない棒鋼の焼入方法によれば、棒鋼の焼入れにおいて、焼き割れを防止するとともに大幅な曲がりの低減ができるので、後工程の曲がり取りが省略又は大幅に低減でき焼入れコストの低減ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の曲がりの少ない棒鋼の焼入方法の温度パターンを示す図である。
【図２】本発明の曲がりの少ない棒鋼の焼入方法の焼入冷却における被焼入棒鋼の拘束の形態を示す図である。
【図３】本発明実施例の焼入れ試験結果を示す表である。
【記号の説明】
１アンビルロール、２ラム、３上噴射ノズル、４下噴射ノズル

Claims

棒鋼の焼入れにおいて、被焼入棒鋼を焼入温度からＭｓ点直上の温度まで急冷し、該Ｍｓ点直上の温度から被焼入棒鋼を長手方向に配設された複数のプレスの下で長手方向に往復動させ、プレス圧下の位置を変えてプレス矯正荷重の圧下と開放を繰り返しながら緩やかに冷却することを特徴とする曲がりの少ない棒鋼の焼入方法。
平角棒鋼の焼入において、被焼入平角棒鋼を焼入温度から急冷する際に、該平角棒鋼の表裏の冷却速度に差を設けて該平角棒鋼が全長長手方向に表裏いずれかの側に凸または凹に１ｍにつき１〜１０ｍｍの弧状に曲がるようにしてＭｓ点直上の温度まで急冷し、前記Ｍｓ点直上の温度から該平角棒鋼を長手方向に配設された複数のプレスの下で長手方向に往復動させ、プレス圧下の位置を変えてプレス矯正荷重の圧下と開放を繰り返しながら緩やかに冷却することを特徴とする曲がりの少ない棒鋼の焼入方法。
前記焼入温度からＭｓ点直上の温度までの急冷は、被焼入棒鋼をプレスにより拘束しながら行うことを特徴とする請求項１または２に記載の曲がりの少ない棒鋼の焼入方法。
前記Ｍｓ点直上の温度からの緩やかな冷却は、少なくも（Ｍｓ−５０）℃の温度まで行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の曲がりの少ない棒鋼の焼入方法。
前記Ｍｓ点直上の温度から少なくも（Ｍｓ−５０）℃の温度まで緩やかに冷却した後、該温度から急冷することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の曲がりの少ない棒鋼の焼入方法。
前記少なくも（Ｍｓ−５０）℃の温度からの急冷は、被焼入棒鋼をプレスにより拘束しながら行うことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の曲がりの少ない棒鋼の焼入方法。