JP4339248B2 - 焼入れ焼戻し熱処理鋼線およびその製造方法 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、比較的高い強度が要求される機械構造用部品としての各種ボルト類やシャフトなどの素材として用いられる鋼線または鋼棒に係り、より詳しくは、鋼線の冷間圧造特
性に影響を及ぼす新しい因子を特定の範囲が保たれるようにすることで、冷間圧造加工後に別途の焼入れ焼戻し熱処理を必要としないようにした、冷間圧造特性に優れた焼入れ焼戻し熱処理鋼線、およびその製造方法に関する。

背景技術
従来、鋼線または鋼棒（以下、「鋼線」という）を冷間圧造加工して製造する六角ボルト、Ｕボルト、ボールスタッド、シャフト等といった引張強度７００〜１３００Ｍｐａ級の比較的高強度の機械構造用部品は、下記の製造プロセスでのように、鋼線を７００℃程度の温度で十数時間程度加熱して金属組織を球状化し、冷間圧造性を向上させた材料に熱処理する必要があった。なお、冷間圧造成形の後にも、焼入れ焼戻し熱処理を施して強度と靭性を高める必要があった。このような従来の機械構造用部品は、その製造プロセスが複雑であって多数の工程を必要とした。

（従来の製造プロセス）
鋼線または鋼棒→長時間の球状化焼鈍→冷間圧造加工→高温加熱（８５０℃以上）→焼入れ（水または油）→焼戻し→製品
したがって、従来の技術は、次のような問題点があり、省エネルギー、生産性、作業環境の面において改善が要望される。

１）鋼線は長時間の球状化焼鈍を施すので、熱エネルギーの損失が多く、生産性が低い。

２）機械構造用部品会社においても、成形後の部品の強度、靭性を確保するために焼入れ、焼戻し熱処理を施さなければならないので、工程に時間を要するうえ、自社で熱処理を施す場合は作業環境も悪化し、熱処理を外注処理する場合でも熱処理費用の負担以外に納期管理のための余分の工数が必要なので、全体の工程管理を複雑化するという問題点がある。

３）前記１）、２）によって熱処理工程において生産性が低下し、その改善が至急必要な課題である。

これにより、冷間圧造加工の前、後に施される「熱処理」から招かれる低い生産性、製造コストの上昇、作業環境の悪化などに対する改善が切実に要求されている実情である。

本発明では、かかる問題点を解決するために研究した結果、冷間圧造加工後に行う焼入れ焼戻し熱処理を圧造加工前の鋼線に施し、これを冷間圧造加工するだけで、別途の追加焼入れ焼戻し熱処理なしに最終製品を製造することが可能なプロセスを発明するに至った。

発明の開示
一方、焼入れ焼戻し鋼線は、強度が高いので、このプロセスでは単に焼入れ焼戻し熱処理鋼線を冷間圧造加工するだけでは実現が困難であった。本発明者は、高強度鋼線をいろいろ複雑な機械部品に冷間圧造加工できるようにする方案について鋭意研究した結果、引張強度７００〜１３００Ｍｐａで焼入れ焼戻し熱処理された鋼線は、透過電子顕微鏡で観察し、析出された炭化物の球状化係數が３０％以上を保つときに冷間圧造特性に特に優れるという事実を見出した。

言い換えれば、引張強度が７００〜１３００Ｍｐａを示すように冷間圧造加工前に焼入れ焼戻し熱処理された鋼線として析出された炭化物の球状化係數が３０％以上の場合には、高強度鋼線であるにも拘らず、冷間圧造加工特性に優れて通常の冷間圧造加工が円滑に行われるとともに、冷間圧造加工後にも各種機械構造用部品で要求される比較的高強度を示して冷間圧造加工後に別途の強度向上のための追加的な焼入れ焼戻し熱処理を必要としなくなる。

本発明に係る焼入れ焼戻し熱処理鋼線の母材組成は、Ｃ０．１〜０．５質量％、Ｓｉ１．０質量％以下、Ｍｎ０．２〜２．５質量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる基本的にＣ−Ｓｉ−Ｍｎの成分系合金鋼線が好ましく、場合によっては前記基本組成にＣｒ０．０５〜２．０質量％、Ｍｏ０．０５〜１．５質量％、Ｂ０．０００３〜０．００５０質量％の中の１成分以上が添加されてもよい。

次に、本発明の焼入れ焼戻し熱処理鋼線をなしている化学組成の各成分に対する特性及び成分限定理由について説明する。

Ｃ：０．１〜０．５質量％
Ｃは、焼入れの際に強度増加のために添加される最も重要な元素であって、通常知られているように、０．１質量％未満では焼入れ熱処理による硬化効果を期待することができず、０．５質量％超過では多量の炭化物の析出により靭性が低下し、変形抵抗が増大して冷間圧造時の亀裂及び工具寿命の低下をもたらす。

Ｓｉ：１．０質量％以下
Ｓｉは、鋼中に脱酸の目的で投入される元素であって、固溶強化によって強度を向上させるが、１．０質量％を超過すると、靭性が低下して冷間圧造の際に変形抵抗を増大させ、亀裂の発生及び工具寿命の低下をもたらす。これは、Ｓｉが析出炭化物に固溶されて炭素の動きを妨害し、炭化物の球状化を妨害するためである。

Ｍｎ：０．２〜２．５質量％
Ｍｎは、固溶強化元素であって、Ｃ及びＳｉが過剰に添加される場合に発生しうる変形低下の増大を回避するために、低いＣ、Ｓｉ添加鋼で強度の低下を補完するための元素である。したがって、前記の効果を期待するためには、最小０．２質量％の添加が必要であるが、過剰に添加されると、靭性と変形抵抗を増大させるので、その添加量は２．５質量％を超過しないようにすべきである。

Ｃｒ：０．０５〜２．０質量％
Ｃｒは、強度、焼入性及び靭性を向上させるために添加される元素であって、その添加量が０．０５質量％未満であれば、前記特性の向上効果が弱く、その添加量が２．０質量％超過であれば、比較的高価であって経済性が低下するので、下限値を０．０５質量％とし、上限値を２．０質量％とする。

Ｍｏ：０．０５〜１．５質量％
Ｍｏは、Ｃｒの添加効果とほぼ同一であり、０．０５質量％未満では効果が弱く、１．５質量％超過では変形抵抗が増大するので、その添加量は１．５質量％を超過しないよう
にする。

Ｂ：０．０００３〜０．００５０質量％
Ｂは、焼入性を向上させる元素であって、０．０００３質量％未満では添加効果が不明であり、０．００５０質量％超過ではむしろ焼入性を低下させる。一方、Ｂを添加する場合、Ｂは組織内部でＢＮになって粒界を脆化させるおそれがあるため、大抵はＮとの親和力がより大きいＴｉを０．０１〜０．０５質量％添加してＢの添加効果を高める。また、Ｔｉと同一の作用をするＺｒ、Ｎｂの１種以上を添加することも好ましい。

ＰとＳは、不可避不純物元素であって、冷間加工時の変形率を低下させ、その含量がそれぞれ０．０３０質量％を超過すれば、冷間加工の際に亀裂発生頻度を増加させるので、その含量はそれぞれ０．０３０質量％以下となるようにすることが有利である。

本発明の焼入れ焼戻し熱処理鋼線において焼入れ焼戻し熱処理後の引張強度範囲を７００〜１３００Ｍｐａに限定した理由は、７００Ｍｐａ以下では延性が大きいので、熱間圧延した線材（組織はフェライト＋パールライト）そのままでも冷間圧造加工量が少ない場合に限って冷間圧造加工が可能であるとともに、機械構造用部品で要求される強度水準に及ばず、引張強度が１３００Ｍｐａを超過すれば、材料の硬度が高くて金型工具の寿命が低下し、或いは複雑な形状の部品に対する加工が不可能になるためである。

発明を実施するための最良の様態
次に、焼入れ焼戻し熱処理を施した鋼線に対して優れた冷間圧造特性を達成するために、透過電子顕微鏡の観察による鋼線の炭化物の球状化係數を３０％以上と定めた理由について説明する。

図１はＪＩＳ Ｇ ４１０５ ＳＣＭ４２０、ＪＩＳ Ｇ ４０５１ Ｓ３５Ｃ及びＪＩＳ Ｇ ４１０６ ＳＭｎ４３３の１６ｍｍ線材を１５．０ｍｍに引き張り、Ａｃ３以上に加熱した後、水または油によって冷却し、その後各素材別にいろいろの加熱温度と加熱時間の条件で焼戻し加熱処理した後、透過電子顕微鏡で観察した炭化物の球状化係數による限界圧縮率（Ｈｃｒｉｔ）の挙動を示すグラフである。マルテンサイト基地から析出される炭化物の形状によって冷間圧造特性が異なり、特に球状化係數３０％以上で冷間圧造可能指標の限界圧縮率が急激に増加して４０％以上を示し、明白に優れた冷間圧造特性を示すことを発見した。

その原因は、本発明者の研究結果によれば、焼入れ焼戻し熱処理を施した鋼線において基地金属から析出された炭化物の形状が球形に近いほど、炭化物間の距離が遠くなって冷間圧造の際に発生する轉位(dislocation)が容易に通過することができて、冷間加工に必要とする延性が増加することにある。

炭化物の球状化係數を３０％以上に維持するための制御手段としては、目的の引張強度を得ることが可能な範囲内で通常の焼戻し条件に比べて焼戻し加熱温度を高く設定し、あるいは焼戻し加熱時間をできる限り長く設定する方法などを挙げることができる。
次に、図１の炭化物の球状化係數及び限界圧縮率と関連し、その試片製作及び特性値の測定方法を説明する。

炭化物の球状化係數の測定は、焼入れ焼戻し熱処理を施した鋼線の横断面に対して機械式切断、化学研磨及び電解研磨などを行って厚さ０．１ｍｍ以下の薄膜を製造した後、試料元直径の１／４地点を透過電子顕微鏡を用いて５０，０００〜１００，０００倍程度の
倍率で撮影する。

その後、前記撮影された写真に直径５０〜７０ｍｍ程度の円を描いた後、円の内部に位置するそれぞれの炭化物に対して図２に示すように長い方向の長さ（長径：Ｌ）と短い方向の長さ（短径：Ｓ）を測定した後、数式１のように短い方向の長さを長い方向の長さで割って百分率（％）で示したものを炭化物の球状化係數とした。

この際、その材料の代表値は、円の内部に位置する測定可能な大部分の炭化物に対してそれぞれの球状化係數を測定し、最大値と最小値を除いた後その平均値を計算して代表値とし、ラス境界または結晶粒界の炭化物は測定対象から除外した。

図３は、焼入れ焼戻し熱処理鋼線の透過電子顕微鏡を用いた組織拡大写真であって、図３ａは従来の通常の焼入れ焼戻し熱処理過程を経た鋼線の組織、図３ｂは本発明に係る焼入れ焼戻し処理を施した熱処理鋼線の組織である。図３ａに示した従来の熱処理過程を経た鋼線の場合には、基地組織内に針状の炭化物が存在し、これら隣接する炭化物間の間隔が非常に近いことが分かるが、図３ｂに示した本発明に係る鋼線は、炭化物が球形状を維持しており、炭化物間の間隔も相対的に遠いことが分かる。

一方、限界圧縮率（Ｈｃｒｉｔ）の測定は、図４に示すように鋼線に対してＶノッチ加工を行い、いろいろの高さで圧縮を行ってＶノッチ部の底面に長さ１ｍｍの亀裂（１０倍の拡大鏡で観察した結果）が発生したときの限界圧縮率（Ｈｃｒｉｔ）を数式２のように求めた。

式中、Ｈ０-は試料の元高さ（ｍｍ）、Ｈ１は１ｍｍの亀裂がＶノッチの底面に発生したときの高さ（ｍｍ）
ここで、Ｖノッチ圧縮試験は冷間圧造性に優れるか否かを評価するための基準である。本発明者が、互い異なる限界圧縮率を有する多数の鋼線試片に対して実際冷間圧造加工を行って得られた結果によれば、限界圧縮率が４０％以上になるとき、冷間圧造性に優れることが分かったので、その値を冷間圧造可能指標とした。

以上の結果より、焼入れ焼戻し熱処理を施した鋼線に対する冷間圧造性は、焼入れ焼戻し後に析出された炭化物の球状化程度によって大きく影響されており、特に炭化物の球状化係數が３０％以上のとき、冷間圧造性に優れた焼入れ焼戻し鋼線が製造できることが明白であり、冷間圧造性に優れた焼入れ焼戻し鋼線の製造において非常に重要な因子であることを見出すことができた。

本発明の上記目的、技術的構成及びそれによる効果に関する詳細な事項は、下記実施例によってより明確に理解されるであろう。

前記の結果をより明確にするために、表１に示したような化学組成を有する７種の熱間圧延された１６ｍｍのワイヤロッド(wire rod)を１５ｍｍに伸線した。

表１の化学組成を有する７種の伸線されたワイヤロッド試料に対して、一連の連続的工程から構成された高周波誘導加熱装置を用いてＡｃ３変態点以上の温度で加熱し、水冷した後、さらに高周波誘導加熱によって引張強度が７００Ｍｐａ〜１３００Ｍｐａとなるように２００℃〜Ａｃ１変態点の温度範囲内で加熱温度と加熱時間を変更させ、表２のような実施例及び比較例の試片用熱処理鋼線を製作した。

次に、前記それぞれの熱処理鋼線の横断面に対して機械的切断、化学研磨、電解研磨などを行って厚さ０．１ｍｍ程度の薄膜に切断研磨した後、薄膜元直径の１／４地点を加速電圧２００ＫＶの透過電子顕微鏡を用いて１００，０００倍の倍率で各試片の炭化物形状を撮影し、各試片に対する炭化物の球状化係數を求めた。

また、各試片に対して引張試験による引張強度ＴＳを求め、図４ａ及び図４ｂのような圧縮試片を加工した後、圧縮試験を行って限界圧縮率（Ｈｃｒｉｔ）を求めた。なお、図５のような六角フランジボルトを冷間加工して最も脆弱な矢印部位に亀裂が発生するか否かも調査した。その結果は表２に示す。

表２によれば、炭化物の球状化係數が３０％以上を示す本発明の実施例の試片は、鋼種を問わずに限界圧縮率（Ｈｃｒｉｔ）が４０％以上を示し、実際の圧造部品加工においても亀裂の発生がなくて優れた冷間圧造加工性を示すことが分かる。
表３は、表１の組成を有する試料鋼線それぞれを焼入れ焼戻し熱処理した後、２〜２５％の伸線を行った鋼線の特性を示す。

表３の結果から分かるように、本発明に係る熱処理鋼線は、焼入れ焼戻し熱処理を施した後伸線が行われても、炭化物の微細組織には影響を与えないので、優れた冷間圧造性をそのまま持っている。

産業上の利用可能性
上述した本発明の鋼線によれば、次の効果と利点が期待されている。

１）鋼線の製造会社の場合は、長時間の球状化焼鈍加熱を行うことなく、短時間の焼入れ焼戻し処理によって、球状化焼鈍と同等以上の圧造加工性を有する熱処理鋼線を製造することができるので、生産性が向上する。

２）機械部品会社の場合は、圧造成形加工後に強度を増加させるためにさらに行う焼入れ焼戻し工程を省略することができるため、省エネルギー及び作業勧業の改善だけでなく、単に圧造加工工程だけで従来と同等以上の強度、靭性を備えた機械部品を製造することができるので、品質管理が容易で、工程管理が単純になって生産性が向上する。

焼入れ焼戻し熱処理を施した試片の炭化物の球状化係數による限界圧縮率（Ｈｃｒｉｔ）の変化挙動を示すグラフである。 焼入れ焼戻し熱処理を施した鋼線の組織内部に存在する炭化物の断面図である。 熱処理鋼線の透過電子顕微鏡を用いた組織拡大写真であって、図３ａは従来の熱処理過程を経た鋼線の組織、図３ｂは本発明に係る熱処理鋼線の組織である。 圧縮試験片の形状を示すもので、図４ａは全体形状の斜視図、図４ｂはノッチ部の詳細図である。 六角フランジボルトの正面図である。

Claims (3)

1. Ｃ０．１〜０．５質量％、Ｓｉ１．０質量％以下、Ｍｎ０．２０〜２．５質量％、Ｐ０．０３質量％以下、Ｓ０．０３質量%以下、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなる鋼線を、加熱装置によりＡｃ３変態点以上の温度で加熱し、冷却した後加熱により引張強度７００〜１３００Ｍｐａとなるように２００℃〜Ａｃ１変態点の温度範囲内で加熱温度と加熱時間を変更する熱処理工程を含み、マルテンサイト基地から析出された炭化物の球状化係數が３０％以上である焼入れ焼戻し熱処理鋼線の製造方法。
2. 前記鋼線はＣｒ０．０５〜２．０質量％、Ｍｏ０．０５〜１．５質量％、Ｂ０．０００３〜０．００５０質量％の中の１成分以上がさらに添加されてなることを特徴とする請求項１記載の焼入れ焼戻し熱処理鋼線の製造方法。
3. 請求項１または２記載の製造方法により得られた鋼線を伸線して得られた焼入れ焼戻し熱処理鋼線。

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