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技術 強度の高い低、中炭素鋼の圧延調質鋼材及びそれを用いた構造材の製造方法

出願人 佐賀實
発明者 佐賀實
出願日 2000年8月7日 (21年2ヶ月経過) 出願番号 2000-237961
公開日 2002年2月19日 (19年8ヶ月経過) 公開番号 2002-053927
状態 拒絶査定
技術分野 鋼の加工熱処理
主要キーワード 耐久限度 ブリネル硬度 ブリネル硬さ 一般構造用圧延鋼材 不可避不純物中 JIS規格 低温脆性 低炭素鋼材
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重要な関連分野

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図面 (3)

課題

圧延調質鋼材の製造工程の一部を省略して省エネルギーを図ると共に、製品機械的性質を改善する。

解決手段

C,Mn,Si,P及び残部が鉄及び不可避的不純物不純物にはCu、Ni、Crも含み、含有量規制)からなる低炭素鋼又は中炭素鋼ビレット等を、1200〜1300℃に加熱してロール圧延し、その後直に800〜900℃で冷水にて急冷して焼き入れを行い、冷却後500〜600℃の温度で再加熱して焼戻を行うことにより効率的に構造用の圧延調質鋼材を製造する。これにより、低炭素鋼の場合、降伏点が800N/mm2、引張強度900N/mm2以上、伸び18%以上、シャルピー130J/cm2以上、ブリネル硬度285以上で、中炭素鋼の場合は降伏点と引張強度が上記の低炭素鋼と同等で、伸びが15%以上、シャルピー90J/cm2以上、ブリネル硬度290以上を得る。

概要

背景

従来鉄鋼材中でも構造用鋼として低炭素鋼では、C:0.18〜0.23重量%、Si:0.15〜0.35重量%、Mn:0.30〜0.60重量%、P:0.03重量%以下の引張強さ400N/mm2,降伏点245N/mm2,伸び28%,ブリネル硬さHs116で鉄骨鉄筋リベット等に使用されているが、中炭素鋼では、C:0.40〜0.50重量%、Si:0.15〜0.25重量%、Mn:0.50〜0.70重量%で、引張強さ686N/mm2,降伏点490N/mm2,伸び17%,ブリネル硬さHs201〜269,衝撃値78J/cm2で、シリンダーレール等に使用されている。又、中炭素鋼も低炭素鋼の場合とにたような特性のものであった。

更に又、一般構造用圧延鋼材建築、橋、鉄道車両に用いられるが、軟鋼程度のもので圧延したままで、特に熱処理も行われていない。機械等の構造用炭素鋼の場合は、炭素量の比較的多いものは800〜900℃で焼き入れをし、550〜650℃で焼き戻しをしており、ボルトナット、軸等に用いられている。しかし、炭素鋼は機械的性質が劣るので合金鋼を使用する必要も生まれている。

又、別の観点からは、従来の低、中炭素鋼の製造方法については、その製造方法を考察すると、従来の低炭素鋼又は中炭素鋼は、JIS規格インゴット又はビレットを加熱してロールにて圧延し、規定の寸法に圧延したものを、常温まで冷却したのち、焼き入れ温度まで温度を上昇させて水にて急冷して焼き戻し温度まで再加熱する方法で行われており、この方法で引張強度の高くその他機的性質の優れたものを得ることは困難であった。

概要

圧延調質鋼材の製造工程の一部を省略して省エネルギーを図ると共に、製品の機械的性質を改善する。

C,Mn,Si,P及び残部が鉄及び不可避的不純物不純物にはCu、Ni、Crも含み、含有量規制)からなる低炭素鋼又は中炭素鋼のビレット等を、1200〜1300℃に加熱してロール圧延し、その後直に800〜900℃で冷水にて急冷して焼き入れを行い、冷却後500〜600℃の温度で再加熱して焼戻を行うことにより効率的に構造用の圧延調質鋼材を製造する。これにより、低炭素鋼の場合、降伏点が800N/mm2、引張強度900N/mm2以上、伸び18%以上、シャルピー130J/cm2以上、ブリネル硬度285以上で、中炭素鋼の場合は降伏点と引張強度が上記の低炭素鋼と同等で、伸びが15%以上、シャルピー90J/cm2以上、ブリネル硬度290以上を得る。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

C,Mn,Si,P及び残部が鉄及び不可避不純物からなり、不可避不純物成分として、Cu:0.30%未満,Ni:0.20%未満,Cr:0.20%未満であって、Ni+Crの含有量が0.35%未満で、降伏点800N/mm2以上,引張強さ900N/mm2以上、伸び18%以上,シャルピー130J/cm2以上、ブリネル硬度285以上であることを特徴とする強度の高い低炭素鋼圧延調質鋼材。

請求項2

C,Mn,Si,P及び残部が鉄及び不可避不純物からなり、不可避不純物成分として、Cu:0.30%未満,Ni:0.20%未満,Cr:0.20%未満であって、Ni+Crの含有量が0.35%未満で、降伏点800N/mm2以上,引張強さ900N/mm2以上、伸び15%以上,シャルピー90J/cm2以上、ブリネル硬度290以上であることを特徴とする強度の高い中炭素鋼の圧延調質鋼材。

請求項3

低炭素鋼又は中炭素鋼の鋼材ビレット又はインゴットを、1200〜1300℃に加熱してロールにて50〜90%圧延し、その後直ちに800℃〜900℃で冷水にて急冷して焼入れを行い、冷却後500〜600℃の温度にて再加熱して焼戻を行うことを特徴とする強度の高い低、中炭素鋼の圧延調質鋼材の製造方法。

請求項4

圧延鋼材丸棒の場合外径50mm未満、矩形の場合短辺50mm未満であることを特徴とする請求項3に記載の強度の高い低、中炭素鋼の圧延調質鋼材の製造方法。

技術分野

0001

本発明は、鋼材の改良に係り、特に機械的強度の高い熱間圧延調質鋼材及びこれを製造するための製造方法に関する。

背景技術

0002

従来鉄鋼材中でも構造用鋼として低炭素鋼では、C:0.18〜0.23重量%、Si:0.15〜0.35重量%、Mn:0.30〜0.60重量%、P:0.03重量%以下の引張強さ400N/mm2,降伏点245N/mm2,伸び28%,ブリネル硬さHs116で鉄骨鉄筋リベット等に使用されているが、中炭素鋼では、C:0.40〜0.50重量%、Si:0.15〜0.25重量%、Mn:0.50〜0.70重量%で、引張強さ686N/mm2,降伏点490N/mm2,伸び17%,ブリネル硬さHs201〜269,衝撃値78J/cm2で、シリンダーレール等に使用されている。又、中炭素鋼も低炭素鋼の場合とにたような特性のものであった。

0003

更に又、一般構造用圧延鋼材建築、橋、鉄道車両に用いられるが、軟鋼程度のもので圧延したままで、特に熱処理も行われていない。機械等の構造用炭素鋼の場合は、炭素量の比較的多いものは800〜900℃で焼き入れをし、550〜650℃で焼き戻しをしており、ボルトナット、軸等に用いられている。しかし、炭素鋼は機械的性質が劣るので合金鋼を使用する必要も生まれている。

0004

又、別の観点からは、従来の低、中炭素鋼の製造方法については、その製造方法を考察すると、従来の低炭素鋼又は中炭素鋼は、JIS規格インゴット又はビレットを加熱してロールにて圧延し、規定の寸法に圧延したものを、常温まで冷却したのち、焼き入れ温度まで温度を上昇させて水にて急冷して焼き戻し温度まで再加熱する方法で行われており、この方法で引張強度の高くその他機的性質の優れたものを得ることは困難であった。

発明が解決しようとする課題

0005

上記従来の材料及びその製造方法によるときは、圧延、焼き入れ、再加熱等加熱段階が多くこのため、製造上熱エネルギーの使用がかなり多く、作業工程が多いので、製造コストが高く、しかも、製品の機械的性質にはある限界があった。

課題を解決するための手段

0006

本発明は、かかる従来の技術に鑑み、種々検討の結果、意外なことに低炭素鋼に於いてはMnの含有量を増加することにより、中炭素鋼に於いてはMnの含有量はそのままでも圧延時の熱を利用して焼き入れを行うことにより機械的強度の優れた調質鋼材を得ることを見いだした。

0007

すなわち、圧延時の熱を利用して焼入れするので別に焼入れに要する熱量が不要となる。クロムモリブデン鋼SCM)に匹敵する強度のものを得ることができ、これによって炭素鋼であってもクロムモリブデン鋼であるSCM435、あるいはSCM440と同等以上の強度のものを得ることができる。特殊な金属を含有しないので材料コスト逓減できる、等の成果を得たものである。

0008

すなわち、請求項1の発明は、C,Mn,Si,P及び残部が鉄及び不可避不純物からなり、不可避不純物成分として、Cu:0.30%未満,Ni:0.20%未満,Cr:0.20%未満であって、Ni+Crの含有量が0.35%未満で、降伏点800N/mm2以上,引張強さ900N/mm2以上、伸び18%以上,シャルピー130J/cm2以上、ブリネル硬度285以上であることを特徴とする強度の高い低炭素鋼の圧延調質鋼材であり、請求項2の発明は、C,Mn,Si,P及び残部が鉄及び不可避不純物からなり、不可避不純物成分として、Cu:0.30%未満,Ni:0.20%未満,Cr:0.20%未満であって、Ni+Crの含有量が0.35%未満で、降伏点800N/mm2以上,引張強さ900N/mm2以上、伸び15%以上,シャルピー90J/cm2以上、ブリネル硬度290以上であることを特徴とする強度の高い中炭素鋼の圧延調質鋼材である。

0009

又、請求項3の発明は、低炭素鋼又は中炭素鋼の鋼材のビレット又はインゴットを、1200〜1300℃に加熱してロールにて50〜90%圧延し、その後直ちに800℃〜900℃で冷水にて急冷して焼入れを行い、冷却後500〜600℃の温度にて焼戻を行うことを特徴とする低、中炭素鋼の圧延調質鋼材による構造材の製造方法であり、これにより、合金鋼によらなくても従来の製造方法より簡略で、熱エネルギーの損失の少ない方法により、前記した各種の優れた特性を有するものを提供できる。請求項4の発明は、特に、焼き戻しに際して、圧延した鋼材が丸棒の場合には外径50mm未満、矩形の場合には厚さ(短辺)が50mm未満である。かかる限定が好ましい理由は、中心部まで焼入れ効果がでるようにするために必要である。

0010

上記の本発明をさらに詳細に説明すれば、請求項1の発明は、S20C等の低炭素鋼に対応し、特にMnをS20C等通常の基準よりも多く添加している点にも特徴がある。また、請求項2の発明は、S35C、S45C等の中炭素鋼に対応するものである.両者共に、かかる調質鋼材を請求項3、4に規定する方法で処理することにより、合金鋼でなくても、機械的強度の要求される構造用鋼材を、経済的に製造することができる。

0011

以下本発明の実施例と比較例について説明する。本発明の鋼材組成の実施例と比較例の鋼材組成とを表示すれば、表1に記載のとおりであり、これを本発明の方法で処理することにより得られた実施例の鋼材の特性と、従来の方法で処理された比較例の鋼材の特性を示せば表2に示すとおりである。

0012

表1、2の実施例1は請求項1に対応し、実施例2、3は請求項2に対応するものであるが、比較例1、比較例2は低炭素鋼材であり、比較例3は中炭素鋼材であり、比較例4、5はマンガン鋼と称されるもので、請求項1、2よりもMnが多い。更に比較例6、7はCrやMo鋼をも含有する合金鋼である。又、その製造方法は本発明は図1ブロック図に示すとおりで実施例はこの方法で処理されたものであり、従来の製造方法は図2のブロック図に示すとおりで、比較例は、この方法で処理されたものである。

0013

本発明によれば、低炭素鋼に於いてはMn量に配慮し中炭素鋼に於いてはMn量は従来のとおりであっても、再加熱工程を要せずに処理するという簡単な方法によりながら、合金鋼と同等以上の機械的強度の構造材が得られることが判る。なお、本発明の実施に際して、本発明の精神を守る限り、表1に記載の組成に限定されないことは容易に理解できるであろう。

0014

0015

0016

図1は本発明の圧延調質鋼材による構造材の製造方法のブロック図で、図2は比較例(従来)の構造材の製造方法のブロック図である。これによれば、本発明の方法は請求項3に記載のように、急冷、焼入れした後焼戻するので熱効率がよく、製造上熱エネルギーの使用量が節約され、かつ、請求項1や2のように低、中炭素鋼であっても、合金鋼を従来技術で処理したものに匹敵する強度を有する構造材を得ることができる。更に、一般的に丸棒を製造する場合は、所定の焼戻温度に内部まで早期に冷却するためには、圧延鋼材が丸棒の場合外径50mm未満、矩形の場合短辺の厚さ50mm未満であることにより、全体を均一に焼き入れ、焼き戻しすることができるので、品質のよい構造材を提供することができる。

0017

本発明の組成について説明する。まず、Cについては機械構造品として最終製品の機械的強さを増大させ、耐久限度向上に有効な元素であるが、低炭素鋼材及び中炭素鋼材の範囲ならば如何なるものでも適用できる。通常は炭素が0.10重量%未満では最終製品の機械的強さは不足し、0.60重量%を超えて多い場合は、最終製品に靱性劣化するので、含有量は0.10重量%〜0.60重量%好ましくは0.18重量%〜0.46重量%である。

0018

Siは脱酸元素として、及び置換形固溶硬化による最終製品の強度を増加させるものである。0.15重量%未満では最終製品の硬度は不足し、0.35重量%を超えて多い場合は、最終製品に靱性を劣化するので、含有量は0.15重量%〜0.35重量%が好ましい。より好ましくは0.21重量%〜0.24重量%である。

0019

Mnは脱酸硬化があり、焼き入れ性を向上し、最終製品の強度増加に有効で、かつ鋼中でSとMnSを形成し、被削性の向上と組織微細化に寄与するが、特に、その量を1.20重量%〜1.60重量%としたことにより、圧延だけで所定の強度の製品を得ることができる。Mnの含有量を1.20重量%未満とするときは、その効果が不十分で、1.60重量%を超えて多い場合には、最終製品の靱性が劣化し好ましくない。より好ましくは0.67重量%〜1.22重量%である。

0020

Sは、鋼中で、MnSとして被削性の向上と組織の微細化に寄与するが、0.01重量%未満ではその効果は不十分で、0.03重量%を超えて多い場合には、靱性を劣化させ、異方性の増加を招く。より好ましくは0.014重量%〜0.025重量%である。

0021

Pは鋼中で、粒界偏析中心偏析を起こし、靱性劣化の原因となるが、特に0.03重量%を超えると靱性の劣化が著しいので0.03重量%以下としたい。より好ましくは0.017重量%〜0.019重量%である。

0022

又、不可避不純物中にCu,Ni,Cr,Moを含む場合について説明する。先ずCuは0.30重量%未満、Niは0.20重量%未満、Crは0.20重量%未満であって、Ni+Crは0.35重量%未満であることが好ましい。Cuは析出硬化により、耐候性に寄与するだけで、構造材としては余り意味がない。NiはCuによる熱間脆性防止と、低温脆性の防止に効果がある。Crは組織の微細化による強化と耐候性に寄与するだけで、Crの酸化による欠陥を生じやすく好ましくない。

0023

これらの配合量は、低炭素鋼では、従来公知のS20C材、中炭素鋼では、従来公知のS35C材、S45C材に相当するものを取り上げて、このような材料でも、本発明のような処理をするだけで、機械構造材として特性の優れた鋼材を提供することができる。

0024

次に本発明の構造材の製造方法について説明する。本発明に於いては、請求項1又は2に記載の炭素鋼のビレット又はインゴットを、1200〜1300℃に加熱してロールにて50〜90%圧延し、その後直ちに800℃〜900℃で冷水にて急冷して焼入れを行い、冷却後500〜600℃の温度にて焼戻を行い、これにより、請求項1に該当するものでは、引張強さ900N/mm2以上,降伏点800N/mm2以上,伸び18%以上、シャルピー(衝撃値)130J/cm2以上、ブリネル硬度285以上を有する強度の高い圧延調質鋼材の製造方法であり、請求項2に該当するものでは、引張強さ900/mm2以上,降伏点800N/mm2以上,伸び15%以上、シャルピー(衝撃値)90J/cm2以上、ブリネル硬度290以上を有する強度の高い圧延調質鋼材を得るものである。

0025

先ず1200〜1300℃に加熱してロールにて50〜90%圧延する理由は、Ar3変態点以上で圧延処理することにより靱性の改善をすることである。この圧延強度が高いので、降伏点のバラツキが少なくなる。次に直ちに800℃〜900℃で冷水にて急冷して焼入れを行うのは、圧延時の余熱を利用しての処理工程であるから、熱処理用燃料が著しく節約されるという効果がある。更に、冷却後500〜600℃の温度にて焼戻を行うのは強度のバランスを改善するためであり、この点は従来技術と変わりはない。

0026

本発明は、上記の工程で処理することにより、従来のように、圧延と焼入れの加熱を別々に行うよりも遙に燃料が節約され、工程も簡略化され作業性もよくなるにも係わらず、従来高強度のクロムモリブデン合金鋼とほぼ同等な調質鋼材を得るので、従来より非常に廉価に調質鋼材を提供することとなる。

0027

そのことは、実施例及び比較例から明らかであり、表1、表2を綜合して考察すれば容易に理解できる。先ず表1は本発明の実施例1〜3の炭素鋼の組成及び比較例の鋼材の組成を示し、表2はこれら実施例及び比較例の機械的性質の比較表であるが、本発明の実施例によるものは製造上熱エネルギーが少なく、しかも従来法で優れているもの認識されている鋼材と同等以上の機械的性質のものを得れれることが容易に理解できる。図1は本発明の製造方法を説明するブロック図で、図2は従来例(比較例)の製造方法を説明するブロック図であり、これを見れば一見して相違が理解できるであろう。

発明の効果

0028

この例から明らかなとおり、本発明の各実施例のものは、低炭素鋼に於いては通常の鋼材よりもMnの含有量を僅かに増大させ、中炭素鋼に於いてはMnの含有量は変更することなく、しかもいずれの炭素鋼でも製造上熱量が少ない加工を施すことにより、降伏点、引張強さ、伸び、絞り、シャルピー、硬さ等の諸特性に優れた鋼材を提供するものであり。その製造工程は、熱エネルギーを有効に利用しているので、生産性を高め、低コストで品質に優れた鋼材加工部品機械部品を提供することが出来る。

図面の簡単な説明

0029

図1本発明の製造工程のブロック図。
図2比較例の製造工程のブロック図

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