專利名稱：鋼材、鋼材的制造方法及鋼材的制造裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及鋼材、鋼材的制造方法及鋼材的制造裝置，特別是涉及因部位而硬度 不同的鋼材。
背景技術(shù)：
在對例如作為棒或線原料的卷狀壓延材(以下稱為壓延材)等的鋼材進行2次加 工(熱處理)時，為提高耐延遲斷裂性，例如已提出從表層部到中心部，根據(jù)部位使抗拉強 度(硬度)發(fā)生變化的技術(shù)。例如已知道如包層鋼，利用在表層配置純鐵等碳元素極低的鋼并壓延，脫碳、減碳 的技術(shù)(如參見特開平4-212570號公報)。此外，也提供有利用在壓延中以Acl Ac3溫度進行加熱而表層上生成的脫碳層 的技術(shù)(如、參見特開昭62-267420號公報)；或者是在熱處理后，進一步僅對表層再度實 施熱處理的技術(shù)(如、參見特開平7-54441號公報)。并且，作為通常的提高耐延遲斷裂性的手段已知實施鍍金或氮化等的化學表面處 理技術(shù)，或者在表面上實施具有優(yōu)良耐延遲斷裂性的非金屬涂覆材的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
但是，在上述技術(shù)中存在以下問題。即，在壓延材階段，因為在制作包層鋼后，或通 過在Acl Ac3溫度下加熱而制成脫碳層后，進行2次加工(熱處理)，因此必須有前處理。 此外，在進行2次加工(熱處理)后，必須只對表層部再度進行熱處理或者化學表面處理。 因此，均工序復雜，在2次加工(熱處理)前后必須進行復雜的處理條件控制。因此，本發(fā)明的目的在于提供以簡單的處理提供因部位而硬度不同的鋼材、鋼材 的制造方法及鋼材的制造裝置。本發(fā)明的一個形態(tài)的鋼材的制造方法的特征在于，通過對高強度化的鋼材實施熱 處理，從而使所述鋼材的一部分的硬度低于所述鋼材的其他部分的硬度的鋼材的制造方 法，所述熱處理具有通過感應加熱或直接通電加熱，對從所述鋼材的表皮至一定深度為止 進行迅速加熱的加熱工序；以及，在該加熱工序后的規(guī)定時間后，對經(jīng)過了所述加熱工序的 所述鋼材進行速冷的冷卻工序；所述加熱工序中的加熱溫度為Acl相變點以上。本發(fā)明的另一形態(tài)的特征在于，從所述加熱工序到所述冷卻工序的時間為根據(jù)鋼 種、線徑、加熱溫度及加熱時間決定的規(guī)定時間以下。本發(fā)明的另一形態(tài)的特征在于，所述熱處理的處理條件是基于所述鋼材表面迅速 加熱后的傳熱特性而決定的。本發(fā)明的另一形態(tài)的特征在于，所述熱處理的處理條件為所述鋼材溫度的時間積 分值，是基于表示所述鋼材的回火進行狀態(tài)的回火進行值而決定的。本發(fā)明的另一形態(tài)的特征在于，所述熱處理的處理條件為包括頻率、輸入電能、加 熱溫度、加熱時間、自然冷卻時間中的至少2個的組合。
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本發(fā)明的另一形態(tài)的特征在于，具備計算所述鋼材的傳熱特性或所述回火進行值 的工序；所述熱處理的處理條件是基于所述計算出的傳熱特性或所述回火進行值而決定 的。本發(fā)明的另一形態(tài)的特征在于，所述熱處理的處理條件是以使表層部的所述回火 進行值成為中心部的所述回火進行值的1. 5倍以上的值的方式進行設定的。本發(fā)明的另一形態(tài)的特征在于，從所述加熱工序到所述冷卻工序的時間是以使表 層部的所述回火進行值成為中心部的所述回火進行值的1.5倍以上的值的方式進行設定 的。本發(fā)明的另一形態(tài)的特征在于，所述鋼材為線狀或棒狀。本發(fā)明的另一形態(tài)的特征在于，對于所述鋼材實施了包含加熱處理及冷卻處理的 淬火處理后，作為回火處理將所述加熱工序及所述冷卻工序各自進行一次。本發(fā)明的另一形態(tài)是經(jīng)過了所述加熱工序及所述冷卻工序的鋼材，其特征在于， 其表層部附近的硬度與在半徑方向上與距離表層10%的位置相比更靠中心側(cè)的硬度之差 為HV50以上，并且，用JISZ2201的2號試件進行拉伸試驗時的抗拉強度為1420N/mm2以上。本發(fā)明的另一形態(tài)的特征在于，成為全斷面回火馬氏體組織，并且，表層部的硬度 為HV380以下，且用JISZ2201的2號試件進行拉伸試驗時的抗拉強度為1420N/mm2以上， 與表層部相比中心側(cè)的硬度均勻。本發(fā)明的另一形態(tài)的特征在于，成為全斷面回火馬氏體組織，并且，其表層部的硬 度為HV420以下，且用JISZ2201的2號試件進行拉伸試驗時的抗拉強度為1600N/mm2以上， 與表層部相比中心側(cè)的硬度均勻。本發(fā)明的另一形態(tài)為鋼材的制造裝置，其特征在于，通過對高強度化的鋼材實施 熱處理，從而使所述鋼材的一部分的硬度低于所述鋼材的其他部分的硬度，其具備通過感 應加熱或直接通電加熱而對從所述鋼材的表皮至一定深度為止進行迅速加熱的加熱裝置； 以及，在該加熱后的規(guī)定時間后，對經(jīng)加熱的所述鋼材進行速冷的冷卻裝置；所述加熱工序 中的加熱溫度為Acl相變點以上。本發(fā)明的另一形態(tài)的特征在于，還具備基于所述鋼材的傳熱特性或所述回火進 行值的計算結(jié)果，控制所述熱處理的處理條件的控制裝置。


圖1是本發(fā)明的第1實施方式的熱處理裝置構(gòu)成的示意說明圖。圖2是同實施方式的熱處理工序的示意說明圖。圖3是表示同實施方式中的PC鋼棒的構(gòu)成的側(cè)面圖。圖4是表示同實施方式中的PC鋼棒成分的表。圖5是表示同實施方式的熱處理裝置中的線圈圈數(shù)與直徑的關系的坐標圖。圖6是表示同實施方式及以前的例子的熱處理條件的表。圖7是表示通過同實施方式的PC鋼棒的傳熱分析得到的經(jīng)過時間與溫度分布的 關系的坐標圖。圖8是表示通過同實施方式的PC鋼棒的傳熱分析得到的自然冷卻時間與溫度分 布的關系的坐標圖。
圖9是表示同實施方式的PC鋼棒的硬度與直徑方向的距離之間關系的坐標圖。圖10是表示同實施方式的回火過程中的從表層部分至中心為止的溫度分布的坐 標圖。圖11是表示同實施方式中的N參數(shù)的效率的坐標圖。圖12是表示同實施方式中的表面與中心的N參數(shù)的比率，與加熱過程及自然冷卻 時間之間的關系的坐標圖。圖13是表示通過同實施方式的熱處理以及以前的熱處理得到的PC鋼棒的斷面硬 度分布的坐標圖。圖14是表示用同實施方式的熱處理制造的PC鋼棒的軸方向的斷面硬度分布的坐 標圖。圖15是表示同實施方式的熱處理所用的多種PC鋼棒的成分的表。圖16是表示通過同實施方式的熱處理和以前的熱處理得到的PC鋼棒W的延遲斷 裂試驗結(jié)果的表。圖17是表示該延遲斷裂試驗結(jié)果的坐標圖。圖18是表示同實施方式的PC鋼棒Wl的構(gòu)成的側(cè)面圖。圖19是表示同實施方式的PC鋼棒Wl的槽口的構(gòu)成的側(cè)面圖。圖20是表示通過同實施方式的熱處理和以前的熱處理得到的PC鋼棒延遲斷裂試 驗結(jié)果的表。圖21是表示該延遲斷裂試驗結(jié)果的坐標圖。圖22是表示同實施方式的PC鋼棒Wl上形成的槽口深度與斷裂時間之間的關系 的坐標圖。圖23是本發(fā)明的其他實施方式中的熱處理裝置構(gòu)成的示意說明圖。圖24是表示本發(fā)明第2實施方式中的異型PC鋼棒構(gòu)成的側(cè)面圖。圖25是表示同實施方式中的異型PC鋼棒成分的表。圖26是表示同實施方式中的熱處理和對比熱處理的熱處理條件的表。圖27是表示同實施方式的異型PC鋼棒的熱處理中的經(jīng)過時間與溫度變化的利用 傳熱分析得到的模擬結(jié)果的坐標圖。圖28是本發(fā)明第3實施方式的彈簧鋼線的構(gòu)成的立體圖。圖29是表示同實施方式中的彈簧鋼線成分的表。圖30是表示同實施方式的熱處理和對比熱處理中的熱處理條件的表。圖31是表示同實施方式的熱處理中的經(jīng)過時間和溫度變化的利用傳熱分析得到 的模擬結(jié)果的坐標圖。圖32是表示同實施方式的熱處理和對比熱處理中的處理后的彈簧鋼線的斷面硬 度分布的坐標圖。圖33是表示熱處理材料的硬度與疲勞限度的關系的坐標圖。圖34是表示對比熱處理材料的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗結(jié)果的表。圖35是表示從對比熱處理材料的表層到夾雜物的距離與耐久次數(shù)的關系的坐標 圖。圖36是表示通過同實施方式的熱處理得到的彈簧鋼線的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗結(jié)果的表。圖37是表示通過同實施方式的熱處理得到的彈簧鋼線和通過對比熱處理得到的 彈簧鋼線的斷面硬度、殘余應力以及應力振幅的坐標圖。圖38是表示其他實施方式的彈簧鋼線成分的例子的表。圖39是本發(fā)明第4實施方式的螺栓的構(gòu)成的立體圖。圖40是表示同實施方式的螺栓的成分的表。圖41是表示同實施方式的熱處理及對比熱處理中的熱處理條件的表。圖42是表示同實施方式的螺栓Wb的熱處理中的經(jīng)過時間和溫度變化的利用傳熱 分析得到的模擬結(jié)果的坐標圖。圖43是表示通過同實施方式的熱處理和對比熱處理得到的螺栓的斷面硬度分布 的坐標圖。圖44是表示通過同實施方式的熱處理和對比熱處理得到的螺栓的延遲斷裂試驗 結(jié)果的表。圖45是表示通過同實施方式的熱處理和對比熱處理得到的螺栓的累積斷裂概率 和斷裂時間的坐標圖。
具體實施例方式以下，結(jié)合圖1至圖22對本發(fā)明的第1實施方式進行說明。圖1是本實施方式的 熱處理裝置10的示意圖。圖2是本實施方式的PC鋼棒制造工序的流程圖。如圖1所示，作為鋼材的制造裝置的一個例子的熱處理裝置10，是由搬送作為鋼 材的一例的PC鋼棒W的夾送輥11 (搬送裝置)、作為淬火裝置的淬火加熱線圈12及淬火冷 卻罩13、夾送輥14 (搬送裝置)、作為進行高頻感應加熱的加熱裝置的回火加熱線圈15、作 為冷卻裝置的冷卻罩16、以及夾送輥17 (搬送裝置)，沿直線狀的搬送線路排列而構(gòu)成的。 具有將PC鋼棒(鋼材)W沿搬送線路邊搬送邊加熱及冷卻的功能。作為處理對象的PC鋼棒W，例如為圖3所示的實心圓棒狀，將其沿軸方向連續(xù)搬 送。PC鋼棒W例如含有圖4所示的成分而構(gòu)成，但并不限于此。回火加熱線圈15具有對通過其間的PC鋼棒W進行高頻感應加熱的功能。根據(jù)線 徑和搬送速度，回火加熱線圈15被設定成適當?shù)木€圈圈數(shù)。本實施方式中的回火加熱線圈 15的圈數(shù)例如為6圈，但并不限于此。并且，作為對比對象，以使用17圈的以前的產(chǎn)品為 例。圖5表示的是一般的線圈圈數(shù)、線徑、搬送速度的關系。通過高頻感應加熱進行回火時，PC鋼棒W自身會發(fā)熱，其發(fā)熱部的深度能夠通過 回火加熱線圈15的線圈圈數(shù)、頻率、輸入電能、加熱溫度、加熱時間、自然冷卻時間的組合 而進行調(diào)節(jié)。冷卻罩16具有向通過的PC鋼棒W噴射冷卻液而進行冷卻的功能。從回火加熱線圈15到冷卻罩16的距離例如被設定為500mm以下。并且，常規(guī)處 理裝置中，該距離為1900mm左右，但在本實施方式中，為了縮短從加熱處理到冷卻處理的 時間，將該距離設定成較短。本實施方式中的熱處理的處理條件的一個例子如圖6所示。該處理條件是申請人 根據(jù)后述原理，利用高頻感應加熱的瞬間的加熱溫度模式(pattern)的時間變化及鋼的回火特性發(fā)現(xiàn)的。通過在該處理條件下連續(xù)實施熱處理，以一次回火就能夠制造出在表層部 具有低硬度層且從某一深度開始具有均勻的硬度分布的，1420N/mm2以上的強度水平的鋼 棒W。本實施方式的處理條件為頻率50kHz、淬火加熱溫度1000°C、回火加熱溫度 805°C、回火加熱時間0. 17s、從回火加熱到冷卻為止的時間為0.63s。這里所用的PC鋼棒 為直徑d(通稱)7. Imm的細徑PC鋼棒，將回火加熱溫度調(diào)整為使其抗拉強度成為1440N/ mm2左右。作為對比對象的以前的產(chǎn)品的處理條件為頻率9. 5kHz、淬火加熱溫度1000°C、 回火加熱溫度603°C、回火加熱時間0. 59s、從回火加熱到冷卻為止的時間為3. 48s。該以前 的產(chǎn)品也是直徑d (通稱)7. Imm的細徑PC鋼棒，將回火加熱溫度調(diào)整為使其全斷面平均抗 拉強度變成1440N/mm2左右。并且，本實施方式的成分與以前的產(chǎn)品的成分相同。也就是說，本實施方式的回火加熱溫度被設定為比作為對比對象的以前的產(chǎn)品 高，且從回火加熱到冷卻為止的時間被設定為比以前的產(chǎn)品短。并且，關于回火溫度，以前的認識中，在Acl相變點(727°C )以上的回火溫度下加 熱“因為發(fā)生淬火所以是不可能的”，但在本實施方式中發(fā)現(xiàn)，通過使用高頻感應加熱，控制 表面的迅速加熱和在加熱結(jié)束后的迅速冷卻，從而即使是在Acl相變點以上的溫度下，由 于與迅速冷卻相結(jié)合而能夠避免發(fā)生淬火。本實施方式的熱處理裝置10，是根據(jù)后述原理，通過對利用夾送輥11等的搬送速 度、利用回火加熱線圈15的加熱溫度、加熱時間、回火加熱線圈15與冷卻罩16之間的距離 等進行適當?shù)卦O定和調(diào)節(jié)，能夠得到具有所需硬度分布的PC鋼棒W。以下結(jié)合圖2的流程圖，對上述構(gòu)成的熱處理裝置10的動作進行說明。在原材 料工序中經(jīng)拉拔加工而呈連續(xù)的線狀或棒狀的鋼材的連續(xù)線材W0，通過夾送輥11 (搬送裝 置)從圖1的左側(cè)連續(xù)搬送于右側(cè)。被搬送的連續(xù)線材WO在淬火工序中通過淬火加熱線 圈12進行感應加熱，迅速加熱到淬火溫度，然后由淬火冷卻罩13噴射淬火冷卻液，從而使 其迅速冷卻，進行連續(xù)淬火。經(jīng)過淬火處理后的連續(xù)線材W0，邊通過回火加熱線圈15邊被加熱。加熱到規(guī)定的 回火溫度的線材W0，被搬送至連續(xù)噴射冷卻液的冷卻罩16，用冷卻罩16開始速冷。通過冷 卻罩16，連續(xù)線材WO的全長被冷卻，回火熱處理結(jié)束。然后，WO由夾送輥17運出。熱處理 結(jié)束后，連續(xù)線材WO (PC鋼棒W)經(jīng)過加工、檢查工序成為成品(PC鋼棒W)。下面，對用來決定熱處理中的處理條件的原理進行說明。以下，關于成為設定處理條件基準的新參數(shù)N參數(shù)值(回火進行值)進行說明。圖7表示連續(xù)熱處理中的鋼材的某個斷面的加熱開始到0. 8s為止的經(jīng)過時間和 溫度變化的使用有限元模型(FEM)進行傳熱分析而得出的模擬結(jié)果。從表面到中間的6 個部位上，分別以橫軸表示經(jīng)過時間、縱軸表示溫度。并且，在此加熱時間為0. 17s，因此到 坐標圖中的0.8s為止，最開始(坐標圖左側(cè))的0.17s為加熱時間，剩余的坐標圖右側(cè)的 0. 63s為自然冷卻時間。作為一般性回火參數(shù)，眾所周知的是在長時間加熱的情況下成立的納爾生-密勒 (Larson-Miller)參數(shù) P = TX (A+logt) [Τ 溫度(K)，A 常數(shù)，t 時間(h)]。該參數(shù) P 的 值越大，越處于回火進行的狀態(tài)(低硬度)。
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另一方面，高頻感應加熱為短時間加熱時，作為一個例子，在如圖7所示的高頻熱 處理中的迅速加熱過程和迅速冷卻過程成立時，可以將某N值設為參數(shù)。定義的N值(N參 數(shù)值)為PC鋼棒W的溫度的時間積分，如下述(1)所示。[數(shù)學式1]
權(quán)利要求
一種鋼材的制造方法，其特征在于，通過對高強度化的鋼材實施熱處理，從而使所述鋼材的一部分的硬度低于所述鋼材的其他部分的硬度，所述熱處理具備通過感應加熱或直接通電加熱，對從所述鋼材的表皮至一定深度為止進行迅速加熱的加熱工序；以及，在該加熱工序后的規(guī)定時間后，對經(jīng)過了所述加熱工序的所述鋼材進行速冷的冷卻工序；所述加熱工序中的加熱溫度為Ac1相變點以上。
2.如權(quán)利要求1所述的鋼材的制造方法，其特征在于，從所述加熱工序到所述冷卻工 序的時間為根據(jù)鋼種、線徑、加熱溫度及加熱時間決定的規(guī)定時間以下。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鋼材的制造方法，其特征在于，所述熱處理的處理條件是基 于所述鋼材表面迅速加熱后的傳熱特性而決定的。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的鋼材的制造方法，其特征在于，所述熱處理的處 理條件為所述鋼材溫度的時間積分值，是基于表示所述鋼材的回火進行狀態(tài)的回火進行值 而決定的。
5.如權(quán)利要求1至4中任意一項所述的鋼材的制造方法，其特征在于，所述熱處理的處 理條件為包括頻率、輸入電能、加熱溫度、加熱時間、自然冷卻時間中的至少2個的組合。
6.如權(quán)利要求4或5所述的鋼材的制造方法，其特征在于，具備計算所述鋼材的傳熱特 性或所述回火進行值的工序；所述熱處理的處理條件是基于所述計算出的傳熱特性或所述回火進行值而決定的。
7.如權(quán)利要求4所述的鋼材的制造方法，其特征在于，所述熱處理的處理條件是以使 表層部的所述回火進行值成為中心部的所述回火進行值的1. 5倍以上的值的方式進行設 定的。
8.如權(quán)利要求4至7中任意一項所述的鋼材的制造方法，其特征在于，從所述加熱工序 到所述冷卻工序的時間是以使表層部的所述回火進行值成為中心部的所述回火進行值的 1. 5倍以上的值的方式進行設定的。
9.如權(quán)利要求1至8中任意一項所述的鋼材的制造方法，其特征在于，所述鋼材為線狀 或棒狀。
10.如權(quán)利要求1至9中任意一項所述的鋼材的制造方法，其特征在于，對于所述鋼材 實施了包含加熱處理及冷卻處理的淬火處理后，作為回火處理將所述加熱工序及所述冷卻 工序各自進行一次。
11.一種鋼材，其特征在于，經(jīng)過了權(quán)利要求1至10中任意一項所述的加熱工序及所述冷卻工序，其表層部附近的硬度與在半徑方向上與距離表層10%的位置相比更靠中心側(cè)的硬度 之差為HV50以上，并且，用JISZ2201的2號試件進行拉伸試驗時的抗拉強度為1420N/mm2 以上。
12.—種鋼材，其特征在于，經(jīng)過了權(quán)利要求1至10中任意一項所述的加熱工序及所述冷卻工序，成為全斷面回火馬氏體組織，并且，表層部的硬度為HV380以下，且用JISZ2201的2號 試件進行拉伸試驗時的抗拉強度為1420N/mm2以上，與表層部相比中心側(cè)的硬度均勻。
13.一種鋼材，其特征在于，經(jīng)過了權(quán)利要求1至10中任意一項所述的加熱工序及所述冷卻工序， 成為全斷面回火馬氏體組織，并且，其表層部的硬度為HV420以下，且用JISZ2201的2 號試件進行拉伸試驗時的抗拉強度為1600N/mm2以上， 與表層部相比中心側(cè)的硬度均勻。
14.一種鋼材的制造裝置，其特征在于，通過對高強度化的鋼材實施熱處理，使所述鋼材的一部分的硬度低于所述鋼材的其他 部分的硬度，具備通過感應加熱或直接通電加熱而對從所述鋼材的表皮至一定深度為止進行迅速 加熱的加熱裝置；以及，在該加熱后的規(guī)定時間后，對經(jīng)加熱的所述鋼材進行速冷的冷卻裝 置；所述加熱裝置中的所述鋼材的加熱溫度為Acl相變點以上。
15.如權(quán)利要求14所述的鋼材的制造裝置，其特征在于，從所述加熱裝置中的處理結(jié)束到所述冷卻裝置中的處理開始的時間為根據(jù)鋼種、線 徑、加熱溫度、加熱時間等決定的規(guī)定時間以下；所述熱處理的處理條件是基于包括所述鋼材的表面迅速加熱后的傳熱特性、表示所述 鋼材的回火進行狀態(tài)的回火進行值、頻率、輸入電能、加熱溫度、加熱時間、自然冷卻時間中 的至少2個的組合而決定；所述熱處理的處理條件是以使表層部的所述回火進行值成為中心部的所述回火進行 值的1. 5倍以上的值的方式進行設定；從所述加熱工序到所述冷卻工序的時間被設定為根據(jù)鋼種、線徑、加熱溫度、加熱時間 等決定的規(guī)定時間以下； 所述鋼材為線狀或棒狀；還具備沿通過所述加熱裝置及所述冷卻裝置的規(guī)定線路，將所述鋼材連續(xù)搬送的搬 送裝置；所述處理條件包括所述搬送線路的距離以及所述搬送的速度； 還具備對所述鋼材實施熱處理及冷卻處理的淬火裝置；在所述搬送線路的所述淬火裝置的下游側(cè)具備所述加熱裝置及所述冷卻裝置各一個；還具備基于所述鋼材的傳熱特性或所述回火進行值的計算結(jié)果，控制所述熱處理的 處理條件的控制裝置。
全文摘要
本發(fā)明的一個實施方式的鋼材的制造方法，是通過對高強度化的鋼材(W)實施熱處理，從而使鋼材的一部分的硬度低于所述鋼材(W)的其他部分的硬度的鋼材的制造方法，其中，所述熱處理具備通過感應加熱或直接通電加熱，對鋼材(W)的表皮至一定深度為止進行迅速加熱的加熱工序；以及在該加熱工序之后的規(guī)定時間后，對經(jīng)過所述加熱工序的鋼材(W)進行速冷的冷卻工序；所述加熱工序中的加熱溫度為Ac1相變點以上。
文檔編號C22C38/00GK101983247SQ20098011220
公開日2011年3月2日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者兒玉順一, 岡村司, 巖永健吾, 市場干之, 平上大輔, 植木義治, 渡邊修 申請人:高周波熱練株式會社;新日本制鐵株式會社