WO2002046479A1 - Procede de cuisson d'element d'acier - Google Patents

Description

明 細 書 鋼材部品のべィキング処理方法 技術分野

本発明は、 遅れ破壌の原因の一つとなる鋼材部品に吸蔵された水素、 特に拡散 性水素を放出除去するか、 あるいは無害化するためのペイキング処理方法に関す る。 背景技術

従来、 静的応力下の鋼材が、 ある時間経過後に突然脆性的に破壊する、 いわゆ る遅れ破壊が知られており、 このような遅れ破壌は、 鋼中のボイドゃ非金属介在 物界面にトラップされた分子状水素 （H₂) よりも、 鉄格子間に介在する原子状 水素 （H) または格子欠陥にトラップされた原子状水素による材質劣化がその原 因の一つとされている。

原子状の拡散性水素は、 ①溶鋼中の水素が最終の鋼材部品まで残留した水素、 ②大気環境下での腐食によりあるいは酸洗や電気メツキ時に鋼材又は鋼材部品に 侵入する水素、 ③浸炭、 窒化、 溶接時に雰囲気から鋼材又は鋼材部品に侵入する 水素等であり、 遅れ破壌は、 鋼中水素濃度が割れ水素濃度を越えたときに発生す ると考えられている。

鋼材部品のうち、 木ネジゃタッピングネジ等のネジ類は、 S WR C H 1 8 Aな どの低炭素アルミキルド鋼線材を用いて冷間鍛造により成形されている。 これら のネジ類は、 ネジを打ち込む時のネジ先端の捩じ込み性能の向上や、 捩じり トル クの増大のため、 成形後に浸炭焼入れの熱処理が施された後、 耐食性を向上させ るためにネジ表面に 5〜2 0 ιη程度の電気亜鉛メツキ等のメツキが施される。 メツキ処理により発生した水素が一旦鋼中に侵入すると、 拡散して容易にネジ内 部に移動する一方、 表面のメツキ皮膜により表面からは脱け難い状態になり、 ネ ジ内部の鋼中水素濃度が高くなる。 このため、 所定のトルクで締結された後、 あ る時間が経過すると、 いわゆる頭飛びという遅れ破壊が生じやすくなる。 また、 浸炭焼入れにより硬化したネジ類の表層部には、 炭素量 0 . 8 %程度の 高炭素の焼戻しマルテンサイトが形成される。 この焼戻しマルテンサイトは、 旧 オーステナイト粒界に粒界炭化物が析出するとともに、 凝集した水素が更に粒界 の結合力を低下させるので、 水素脆化感受性が一層高まり、 そのため遅れ破壌を 招き易くなるという問題があった。

さらに、 炭素鋼、 低合金鋼を用いて製造されるボルト、 ピン、 ヮッシャ、 シャ フト、 プレートなどの鋼材部品においても、 溶鋼中の水素、 あるいは鋼材表面の スケール除去を目的とした酸洗処理において侵入する水素等により、 水素脆化感 受性が高くなるという問題があった。

このため、 従来は、 メツキ処理したネジ類等の鋼材部品を、 例えば加熱炉にお いて 2 0 0 °C前後の温度で数時間加熱するペイキング処理を施して、 鋼材部品中 の水素濃度を下げる処置を施している。

しかしながら、 加熱炉におけるべィキング処理は、 侵入した水素量あるいは部 品の大きさにより、 4時間程度の加熱保持を必要とする場合がある。 したがって、 ペイキング処理をパッチ炉で処理すると、 生産性の低下を招くとともに、 在庫量 が増大し、 更には設備の増大を必要とするという問題があった。 また、 連続炉を 用いてべィキング処理する場合には、 長いコンベアを備えた炉長の長い加熱炉を 必要とし、 製造コストの高騰を招くという問題があった。 発明の開示

本発明は、 設備の増大を招くことなく、 短時間のペイキング処理を可能とし、 その結果、 水素脆化による遅れ破壌を防止するべィキング処理方法を提供するこ とを目的とする。

かかる目的を達成するため、 本発明に係る鋼材部品のべィキング処理方法は、 鋼材部品を高周波または超高周波により加熱して、 鋼中に含まれる拡散性水素を 除去するか、 あるいはそれを非拡散性水素に移行させて無害化することを特徴と する。

本発明に係る鋼材部品のペイキング処理方法はまた、 鋼材部品の表層部を加熱 し、 該部品の表層部と内部との温度差を生じさせ、 それにより格子に歪みを生じ させることを特徴とする。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明に係るべィキング処理方法に用いられる装置の構成概要図であ る。

図 2は、 本発明に係るべィキング処理方法に用いられる無酸化雰囲気炉を設け た装置の構成概要図である。 発明を実施するための最良の形態

本発明は、 （1 ) 鋼中に吸蔵された水素には、 室温近傍で拡散し得る拡散性水 素と、 室温近傍では拡散しない非拡散性水素の 2種類があり、 水素脆化に関与す る水素は拡散性水素であって、 非拡散性水素は水素脆化に関与しないこと ； ( 2 ) 拡散性水素は、 結晶粒界や転位等のトラップエネルギーの低いサイトに存 在するが、 非拡散性水素は、 炭化物やポロシティ等のトラップエネルギーの高い サイトに存在すること ； （3 ) そしてべィキング処理により、 鋼中の拡散性水素 の放出除去のみならず、 拡散性水素を水素脆化に関与しない非拡散性水素に移行 させ得ること ；を知見して完成させたものである。

なお、 本明細書においては、 高周波による加熱とは、 1 ΚΗζ〜5 ΜΗζ の周波数 の電流を連続的またはパルス的に出力して誘導加熱作用により加熱する方式を意 味し、 超高周波による加熱とは、 5 MHz 以上の周波数の電流をパルス的に出力し て誘導加熱作用により加熱する方式を意味する。

特に、 超高周波のパルス出力で加熱すると、 部品の表層部を急速加熱すること ができるのみならず、 鋼材の表層部を加熱し、 部品表層部と内部との温度差を生 じさせることができるので、 拡散性水素の放出除去や、 非拡散性水素への移行が 極めて効率的に行われるようになる。

なお、 べィキング処理の対象となる鋼材部品としては、 例えば木ネジ、 タツピ ングネジ等のネジ類、 炭素鋼、 低合金鋼製のボルト、 ピン、 ヮッシャ、 プレート 等の部品、 及ぴその他の鋼材部品が含まれる。

鋼材部品の表面にメツキを施した鋼材部品は、 メツキ処理で発生する水素が メツキ層に多量に含まれるとともに、 該メツキ層が拡散性水素放出のパリヤーと して働くので、 拡散性水素として吸蔵されやすくなる。 したがって、 メツキ処理 した部品に本発明のべィキング処理方法を適用すると、 特に効果を発揮する。 こ れは、 メツキ処理した鋼材部品では、 拡散性水素を放出除去する効果よりも、 非 拡散性水素へ存在状態を移行させる効果が大きいと考えられるからである。

また、 高周波または超高周波の周波数を 1 OKHz 以上にすると、 鋼材部品の表 層部にエネルギーを集中させることが可能になり、 特にメツキ層等に対する水素 の除去や、 非拡散性水素への存在状態の移行が効率的に行われるようになり好適 である。

さらに、 高周波または超高周波により、 鋼材部品の表層部を 1 0 0〜3 0 0 °C に急速加熱すると、 拡散性水素の除去、 または非拡散性水素への移行に伴う無害 化の点で好ましく、 特に 2 0 0 °C前後に加熱することがより好ましい。 これは、 表層部の加熱温度が 1 0 0 °C未満では、 拡散性水素の活性化が不充分で放出効率 が悪く、 3 0 0 °Cを超えて高温になると、 部品の表面の酸化が進んで耐蝕性が低 下したり、 表面外観が悪化したりする。

なおこの際も、 超高周波のパルス出力で加熱すれば、 高いエネルギー密度で鋼 材の表層部を加熱し、 部品表層部と内部との温度差を生じさせることができるよ うになり、 拡散性水素の放出や無害化をより効果的に行わせることができる。 ま た、 加熱コイルを無酸化加熱炉に内蔵して、 無酸化雰囲気中で鋼材部品を高周波 または超高周波加熱すると、 鋼材部品の表面酸化を抑えることができるので、 よ り好ましい。 更に、 加熱コイルを真空加熱炉に内蔵して鋼材部品を加熱すると、 表面酸ィヒの防止に加えて、 拡散性水素の放出を促進できるので、 より好ましい。 以下に、 図面を参照しつつ、 本発明を詳細に説明する。

本発明に係る鋼材部品のべィキング処理方法は、 鋼材部品に吸蔵される水素を 除去、 または無害化するためのべィキング処理において、 設備の増大を招くこと なく、 短時間の処理で水素脆化感受性を低下させることができるように、 高周波 または超高周波で加熱することを要旨としている。

図 1は本発明に係るべィキング処理方法に用いられる装置の構成概要図である。 この高周波焼入れ装置本体 1は、 パーツフィーダ 4から連続的に送られる鋼材部 品を高周波または超高周波で加熱するための加熱コイル 2を備えており、 また高 周波や超高周波をパルス的に出力する場合には、 パルスジェネレータ 3を設ける ようにしている。 そして、 加熱コイル 2の近傍でべィキング処理を終えると、 ベ ィキング処理後の鋼材部品をバケツト 5に払い出して搬送するようにしている。 なお、 本図に示した装置は大量生産用としては、 それに適した構成にすることが 好ましい。

また、 図 2は、 本発明に係るべィキング処理方法に用いられる他の装置の構成 概要図である。 鋼材部品を高周波または超高周波で加熱するための加熱コイル 2を無酸化加熱炉 6に内蔵してあり,、 その他の構成は図 1と同様である。 無酸化 雰囲気としては、 窒素ガス、 アルゴンガス等の不活性ガスを用いることができ、 特にアルゴンガスが好ましい。

ここで、 処理の対象となる鋼材部品としては、 木ネジゃタッピングネジゃス チールハウスの組立てに用いられるセルフドリリングネジなどの浸炭焼入れが施 されたネジ類、 S 4 5 Cや S CM 4 3 5などの炭素鋼、 低合金鋼を用いて焼入れ 一焼戻しにより調質されたボルト、 ピン、 ヮッシャ、 シャフト、 プレート、 その 他の鋼材部品が好適である。 前記のように、 ネジ類においては、 部品表面が炭素 量 0 . 8 %程度まで浸炭されて硬化されており、 水素脆化感受性が極めて高い。 また、 ボルト類は調質により強靭化されるが、 特に、 引張強度 1 0 0 O N/mm² 程度を超える高強度のボルト、 ピン、 ヮッシャ、 シャフト、 プレートなどにおい ては、 強度が高くなるほど水素脆化感受性が高くなる。 また、 このような部品に 耐食性や美観向上のための電気メツキが施される場合には、 メツキ層には鋼中よ りも多量の水素が吸蔵されているので、 メツキ層は水素の供給源として水素脆化 感受性をより高めるものとして作用する。

従って、 このような鋼材部品またはメツキ処理部品に対して本発明の処理方法 を適用することは、 極めて効果的である。

ここで、 高周波焼入れ装置本体 1の高周波または超高周波として、 周波数 1 O KHz 以上のものを連続的またはパルスとして出力するようにしている。 この とき、 周波数を 4 MHz程度以上の高周波または超高周波にし、 極めて短時間の間 に高いエネルギー密度のパルス出力を発振することにより、 表面より 1顧 以内の表層部、 特に薄いメツキ層等を、 約 1秒程度以下の短時間で集中的に加熱 でき、 また、 高密度の加熱エネルギーによって表層部を加熱し、 部品表層部と内 部との温度差を生じさせることも可能となるので、 拡散性水素の放出や無害化を 極めて効率的に行うことが出来る。 また、 周波数を 2 0 MHz 以上にすれば、 鋼材 部品の極表層部近傍のみを加熱できるので、 鋼材内部の組織への影響が小さく なって、 より好ましい。

尚、 このような高い周波数は、 無線通信等を妨害しないよう、 所轄当局によつ て使用周波数が割り当てられるものである。

また、 加熱コイル 2による加熱温度は、 鋼材部品の表層部が 1 0 0〜3 0 0 °C になるようにすることが望ましい。 これは、 1 0 0 °c未満では拡散性水素の活性 化が不充分であり、 これより高温になると、 また部品の表面の酸化が進んで耐蝕 性が低下したり、 表面外観が悪化したりするからである。 実施例

次に、 本発明のべィキング処理方法により具体的に処理した実施例について説 明するが、 本発明の技術的思想は、 これらの実施例に限定されるものではない。 実施例 1

' S A E 1 0 2 2グレードの鋼材を使用して、 単体重量 6 gの M 6皿頭タッピン グネジを製造し、 次にこのネジの表面に厚さ 1 0 /z m の亜鉛メツキを施した後 2 4時間放置した。 このタッピングネジ合計 1 0 O kg ( 1 6 6 0 0本） を、 図

1に示した装置を使用してべィキング処理した。 この高周波焼入れ装置本体 1の 周波数は 2 7 MHz であり、 またパルスジェネレータ 3が装備され、 極短時間の間 にエネルギー密度の高い矩形波のパルス出力を発振できるようになっている。 こ れにより、 パルス出力時間 1〜 1 0 0 ms、 加熱の ON及ぴ OFF最大 5 0 0回/分が 可能となり、 鋼材部品の表層部を 2 0 0 °C程度に急速加熱できるようになつてい る。 この結果、 1本あたりのネジの加熱に要した時間は、 0 . 0 0 5秒程度と短 く、 タッピングネジ 1 0 0 kg全量をべィキング処理するのに要した時間は、 1 . 0時間と、 従来に較べて大幅に短縮することが出来た。

また、 このべィ'キング処理したネジ 1 0 0個を 2讓の厚みの鉄板に打ち込み、 破断トルクの 9 0 %に相当するトルクで締め付けた後、 5 %食塩水に 2 5 °C環境 下、 1 0 0時間浸漬して頭飛びの発生個数を調査する塩水浸漬試験を行ったとこ ろ、 頭飛びの発生個数は皆無であった。

実施例 2

上記ネジと同一のネジを用いて、 周波数 1 5 KHz、 パルスジェネレータ 3が装 備される高周波焼入れ装置本体 1により、 鋼材部品の表層部を 2 5 0 °Cに加熱し てべィキング処理した。 その他の条件は、 実施例 1と同様であった。 この結果、 1本あたりのネジの加熱に要した時間は 0 . 0 4 5秒程度と短く、 1 0 0 kg全 量をべィキング処理するに要した時間は、 1 . 2時間と、 従来に較べて大幅に短 縮することができた。 また、 1 0 0個のネジを用いて行った塩水浸漬試験におい ても頭飛びの発生は認められなかった。

実施例 3

高周波加熱コイルを内蔵したアルゴンガスを封入した無酸化加熱炉を備えた高 周波焼入れ装置本体を使用した以外は、 実施例 1と同様にして、 ペイキング処理 を行った。 この場合、 タッピングネジ 1 0 O kg全量をべィキング処理するのに 要した時間は 0 . 7日寺間と、 より短時間でべィキング処理を終えたにもかかわら ず、 1 0 0個のネジを用いて行った塩水浸漬試験においても頭飛びの発生個数は 皆無であった。 また、 タッピングネジの表面には酸化スケールが生成せず、 美麗 な表面状態を呈していた。

比較例 1

実施例 1と同様にして製造したタッピングネジ 1 0 O kg をバッチ式の焼鈍炉 に入れて従来と同様の方法で、 2 0 0 °Cでべィキング処理を施した。 塩水浸漬試 験において、 頭飛びの発生をゼロにして、 拡散性水素を放出、 または無害化する ためには、 バッチ式焼鈍炉で 2 0 0 °Cにおいて 4時間という長時間加熱を必要と し、 また、 炉温を 2 0 0 °Cに昇温させるために更に 1 . 5時間を必要とし、 合計

5 . 5時間を必要とした

比較例 2

実施例 1と同様にして、 単重 6 g のタッピングネジ 1 0 0 kg を製造し、 厚さ 1 0 7 m の亜鉛メツキを施した後 2 4時間放置した。 その後 5 0 0個のネジにつ いて、 べィキング処理を施すことなく、 実施例 1と同様にして、 頭飛びの発生個 数を調査する塩水浸漬試験を行ったところ、 頭飛びの発生個数は 5 0 0本中 8本 皆あった。

以上の結果から、 本発明の処理方法によると、 極めて短時間にペイキング処理 を行なうことができ、 また拡散性水素に起因する遅れ破壊を完全に防止すること ができることが確認された。 産業上の利用可能性

上記の通り、 本発明に係る部品のべィキング処理方法は、 鋼材に吸蔵される拡 散性水素を除去、 または無害化するにあたり、 加熱手段として高周波あるいは超 高周波を使用するようにしたため、 部品の表層部を急速に加熱して効率良く処理 することができ、 また設備の大型化や高縢化等を避けることができる。 この際、 特に高周波または超高周波の周波数を所定値以上にし、 また鋼材部品の表層部を 所定温度範囲で処理すれば、 効果的であり、 更に、 高周波または超高周波の衝撃 エネルギーにより、 表層部を加熱し、 部品表層部と内部との温度差を生じさせる ようにすれば、 極めて短時間に処理することが出来る。 またこのような処理は、 特に、 水素が多量に含まれるメツキ層のある部品の処理に有効である。

そして、 本発明は従来のペイキング処理時間を大幅に短縮して製造コストを大 幅に低減させることができ、 工業上有益な価値を有する。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 鋼材部品を高周波または超高周波により鋼材部品の表層部を加熱することを 特徴とする鋼材部品のべィキング処理方法。

2 . 鋼材部品の表層部を加熱し、 該部品の表層部と内部との温度差を生じさせ、 それにより格子に歪みを生じさせることを特徴とする鋼材部品のべィキング処理 方法。

3 . 前記鋼材部品が、 その表面にメツキが施されたものである請求項 1又は 2記 載の鋼材部品のべィキング処理方法。

4 . 前記高周波または超高周波の周波数が、 1 O KHz 以上である請求項 1〜3の いずれか 1項記載の鋼材部品のべィキング処理方法。

5 . 前記鋼材部品の表層部の加熱が、 1 0 0〜3 0 0 °Cの温度範囲である請求項 1〜 4のいずれか 1項記載の鋼 ¾ "部品のべィキング処理方法。

6 . 前記べィキング処理を無酸化雰囲気中で行う、 請求項 1〜 5のいずれか 1項 記載の鋼材部品のべィキング処理方法。