JP2000239794A - 伸線性に優れた炭素鋼およびその製法 - Google Patents

伸線性に優れた炭素鋼およびその製法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動車用タイヤ等に用いられるスチールコー
ドの如き高強度極細鋼線用として優れた伸線性と耐疲労
特性を備えた炭素鋼とその製法を提供すること。 【解決手段】 0.15〜1.5%(質量%を意味す
る、以下同じ)のSiを含む炭素鋼からなり、二次イオ
ン質量分析法によって求められる固溶Al量が0.00
1%以下(0%を含まない)、固溶Ca量が0.005
〜0.1ppmである伸線性に優れた炭素鋼を開示し、
またその製法として、Si脱酸溶鋼を、CaO/SiO
2が0.6〜1.0(重量比)、Al23含有量が5〜
15%であるスラグを用いて精錬した後、該溶鋼に、溶
鋼1トン当たり0.01〜0.05kgのCaを添加し
て適正な固溶Caを確保する製法を開示する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、伸線性に優れた炭
素鋼とその製法に関し、特に自動車用タイヤ等に用いら
れるスチールコードの如き高強度極細鋼線用として優れ
た伸線性と耐疲労特性を備えた炭素鋼とその製法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】タイヤコード等として用いられるスチー
ルコードは、通常、直径0.1〜0.5mm程度まで高
度に伸線加工されるが、鋼中に不純物として混入してく
るSiO2(シリカ)やCaO・Al23・2SiO
2(アノーサイト)等の非金属介在物は硬質で低延性で
あるため、伸線工程で断線を起こす原因になる。そのた
め、これらの非金属介在物を極力低減するか若しくは該
介在物を軟質化して延性を高め、断線障害を無くすこと
が高強度極細鋼線用鋼などを製造する際に極めて重要と
なる。
【0003】こうした非金属介在物の軟質化、高延性化
については、例えば特公平6−74484号公報や、同
6−74485号公報等に、非金属介在物組成自体をあ
る範囲に規定することによって、該介在物の軟質化と高
延性化を図る方法が示されている。しかしながらこれら
の公報には、上記介在物を適正な組成範囲内に制御する
具体的手段については言及していない。
【0004】また特公平7−103416号、特開平6
−212237号、同7−316631号等の各公報に
は、溶鋼精錬時のスラグ組成をある範囲に制御すること
によって、介在物を軟質・高延性化する方法が示されて
いる。ところが、精錬スラグの組成は溶鋼中に懸濁する
介在物の組成に比較的近いものの、該溶鋼を鋳造凝固さ
せ、鋳片加熱、鍛圧加工、伸線加工等を施した後の鋼中
の介在物組成が、溶鋼段階で存在する介在物の組成と同
じであるとは限らない。
【0005】ところで、スチールコード用鋼やばね用鋼
中の非金属介在物組成を、CaO−SiO2−Al23
系で低融点組成とすることによって介在物の軟質・高延
性化を図る場合、鋼中の介在物組成は図1の三角図に示
すB領域付近が望ましいとされている。なぜならば、該
領域付近の組成を有する介在物は後工程の鋳片加熱によ
っても安定であり、CaO・SiO2(ウォラステナイ
ト)と硬質介在物であるCaO・Al23・2SiO2
(アノーサイト)に分離する化学変化を起こし難く、し
かも上記B領域は、CaO・Al23・SiO2系にお
いて最も融点が低く、軟質で延性が高いからである。
【0006】この領域に介在物組成を制御する方法とし
て、溶鋼精錬時のスラグ組成の制御は有力な方法である
が、Si脱酸溶鋼では、溶鋼内に生じたSiO2(図1
中のA領域付近)を、溶鋼とスラグとの反応によって完
全に図1中のB領域付近に変化させることは実操業にお
ける時間的制約の観点から極めて困難であり、結果とし
て、鋼中に硬質介在物の一つであるSiO2の残存が避
けられない。
【0007】また、上記A領域付近の硬質介在物を生成
させないため、スラグ中のCaO/SiO2を1.0以
上にして溶鋼精錬を行なうことも考えられるが、この方
法でも時間的な制約からSiO2残存の問題が解消され
ないばかりか、溶鋼内の非金属介在物組成が図1のC領
域付近になってしまうことがあり、鋳造凝固後の鋳片加
熱工程で、前述した様なCaO・SiO2(ウォラステ
ナイト)と硬質介在物であるCaO・Al23・2Si
2(アノーサイト)に分離する化学変化を起こす可能
性が高まる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記の様な理由から、
溶鋼精練時のスラグ組成制御のみで鋼中の介在物組成を
前記B領域付近に制御することは実際上困難である。本
発明はこの様な状況に鑑みてなされたものであり、炭素
鋼中の非金属介在物を確実に軟質・高延性化し、伸線性
を高めることのできる技術を確立することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明に係る伸線性に優れた炭素鋼とは、0.
15〜1.5%(質量%を意味する、以下同じ)のSi
を含む炭素鋼からなり、二次イオン質量分析法によって
求められる固溶Al量が0.001%以下(0%を含ま
ない)、固溶Ca量が0.005〜0.1ppmである
ところに特徴を有している。
【0010】本発明に係る上記炭素鋼としては、基本組
成としてC:0.4〜1.0%、Mn:0.2〜1.0
%を含有するものが好ましく、或いは更に他の元素とし
てCo、CuおよびCrよりなる群から選ばれる少なく
とも1種の元素を、夫々1%以下含有するものは、伸線
加工性の更に高められた好ましい実施態様である。
【0011】また本発明に係る製法は、伸線性に優れた
上記炭素鋼を効率よく製造することのできる方法を提供
するもので、Si脱酸溶鋼を、CaO/SiO2が0.
6〜1.0(重量比)、Al23含有量が5〜15%で
あるスラグを用いて精錬した後、該溶鋼に、溶鋼1トン
当たり0.01〜0.05kgのCaを添加するところ
に特徴を有している。
【0012】
【発明の実施の形態】前述した様な課題の下で本発明者
らは、伸線性を阻害する硬質介在物の生成原因および生
成過程について研究を進めた。その結果、溶製段階でS
i脱酸後の溶鋼内にCaを積極的に添加し、鋼中の固溶
Ca量を0.005〜0.1ppmの範囲とし、且つ固
溶Al量を0.001%以下に抑えると、該鋼中の介在
物組成が前記図1のB領域付近に確実に制御されて軟質
・高延性のものとなり、それにより伸線性に優れた鋼材
となることが確認された。
【0013】ここで鋼中の上記固溶Ca量および固溶A
l量は、二次イオン分析法によって求めた値を意味す
る。即ち、供試鋼に数kevから十数kevのエネルギ
ーを有するイオンを照射し、供試鋼表面から放出される
Ca原子およびAl原子イオン(二次イオン)を質量分
離して検出する方法であり、この分析法によれば、鋼中
に非金属介在物として濃化している部分以外の当該Ca
原子およびAl原子の濃度、即ち鋼中の固溶Ca量と固
溶Al量をppmオーダーからppbオーダーまで正確
に分析することができる。
【0014】上記固溶Ca量および固溶Al量を規定す
ることによって、介在物組成を高延性の前記B領域付近
に制御される理由は、次の通りである。
【0015】即ち鋼中の介在物は、前記図1にも示した
如くCaO・SiO2・Al23の三元系組成であり、
鋼中に存在する上記3種の酸化物の存在量によって決ま
ってくる。一方、Si脱酸鋼中に含まれるのSi量は通
常0.15〜1.5%の範囲内であり、またAl量は通
常0.001%以下に制限されているが、鉄鉱石中の脈
石成分等に由来して0.00001%程度以上の固溶A
lの混入は避けられない。そしてこうしたSi量および
Al量が決まれば、これらSi量およびAl量との熱力
学的平衡状態で溶鋼内に分散状態で残存し得るSiO2
およびAl23の量は自ずと決まってくる。
【0016】そして上記前提の下で、溶鋼内に存在する
上記SiO2およびAl23と複合して前記図1のB領
域付近にある好適組成の介在物を生成するために必要な
CaO量と、該CaO量と熱力学的に平衡する固溶Ca
量の関係、およびAl23量と、該Al23量と熱力学
的に平衡する固溶Ca量の関係について更に検討を進め
たところ、前述の如く鋼中の固溶Ca量を0.005〜
0.1ppmの範囲に制御してやれば、鋼中の介在物組
成が確実に前記B領域付近になることが確認されたので
ある。
【0017】即ち本発明では、最終的に鋼中の非金属介
在物を軟質・高延性を示す組成に制御することによって
高伸線性を与えるものであるが、こうした介在物組成を
確実に得るための要素として、鋼中のSiおよびAl含
有量を特定すると共に、固溶Ca量を前述した適正範囲
に制御するものである。
【0018】従って本発明では、鋼中のSi含有量が
0.15〜1.5%、Al含有量が0.003%以下で
あることが前提となり、これらSi量およびAl量との
多少に応じて、三元系介在物組成が前記B領域付近とな
る様に前記範囲の中からCa固溶量を適正に制御するこ
とになる。
【0019】よって本発明では、上記介在物の成分組成
に関与するSi量とAl量が制限されるだけで、その他
の鋼成分については特に限定されず、一般に使用される
スチールコード用鋼の如き伸線加工用鋼材を適用するこ
とが、具体的には、下記の如く、C:0.4〜1.0
%、Mn:0.2〜1.0%を含み、好ましくは更に他
の成分として、Co,CuおよびCrの1種または2種
以上を夫々1%以下の量で含有し、残部は実質的にFe
及び不可避的不純物からなる炭素鋼に適用できる。
【0020】C:0.4〜1.0% Cは強度の向上に有用な元素であり、その為には0.4
%以上、より好ましくは0.6%以上含有させることが
望ましい。しかし、C量が多くなり過ぎると炭素鋼が脆
化して伸線性が損なわれるので、1.0%以下、より好
ましくは0.9%以下に抑えるのがよい。
【0021】Mn:0.2〜1.0% Mnは、Siと同様に脱酸作用を有すると共に介在物制
御作用も有しており、これらの作用を有効に発揮させる
には0.2%以上含有させることが好ましい。但し、M
n量が多くなり過ぎると鋼材が脆化して伸線性が損なわ
れるので、1.0%以下に抑えることが望ましい。
【0022】本発明で好ましく使用される炭素鋼中の含
有元素は上記の通りであり、残部は実質的にFeと不可
避的不純物であるが、必要により下記元素を選択成分と
して積極的に添加することによって、伸線性を一段と高
めることも有効である。
【0023】Co,Cu,Crよりなる群から選ばれる
1種または2種以上:1%以下 これらの元素は炭素鋼の延性を高めるのに有効な元素で
あり、それらの作用を有効に発揮させるには、Co:
0.05%以上(より好ましくは0.1%以上)、C
u:0.05%以上(より好ましくは0.1%以上)お
よびCr:0.05%以上(より好ましくは0.1%以
上)の少なくとも1種を添加することが好ましい。但
し、Co,Cu,Crの上記添加効果はそれぞれ1%で
飽和するのでし、それ以上に添加することは経済的に無
駄であり、経済性を加味してより好ましいのはCo:
0.8%以下、Cu:0.8%以下、Cr:0.8%以
下である。
【0024】次に、本発明に係る伸線性に優れた炭素鋼
の製法について説明する。
【0025】延性に優れた本発明の炭素鋼を製造するに
当たっては、溶鋼精錬工程でスラグを添加し、湯面上の
該スラグと溶鋼中の介在物との反応によって鋼中の介在
物組成を調整することになるが、本発明ではまず、原料
溶鋼としてSi脱酸溶鋼を使用することが前提となる。
【0026】即ちSi脱酸溶鋼では、Si脱酸によって
生成するSiO2の殆どは精錬時に湯面上に浮上し或い
はスラグとの反応によって溶鋼から分離するが、一部は
懸濁状態で溶鋼内に残存し、鋼中の硬質介在物となって
伸線性を阻害する原因となる。そこで本発明では、溶製
段階で適量のCaを添加し、生成するCaOを上記Si
2と結合させることによって軟質・高延性のCaO−
SiO2系に組成制御するものであり、よって、鋼中に
介在物としてSiO2が混入してくるSi脱酸溶鋼の使
用が前提となる。
【0027】また、精錬後の溶鋼への上記Ca添加によ
る介在物組成の制御を実効あるものとするには、精練時
に使用するスラグ組成を、CaO/SiO2の重量比で
0.6〜1.0、より好ましくは0.7以上、0.9以
下、Al23量を5〜15%、より好ましくは7%以
上、13%以下に制御することが必要となる。
【0028】その理由は、上記CaO/SiO2比が
0.6未満では、スラグ中のSiO2量が相対的に多過
ぎるため、その後のCa添加によっても介在物組成がS
iO2リッチとなり、前記B領域付近の介在物組成が確
保できなくなり、一方上記比が1.0を超えるスラグを
用いて精錬を行なうと、精錬後に添加するCaによって
介在物組成がCaOリッチとなり、図1におけるC領域
付近の組成の介在物量が増加するからである。
【0029】また、該スラグのAl23量が5重量%未
満では、スラグとの平衡状態で溶鋼内に残存するAl2
3量が不十分となって、Ca添加の後で図1における
C領域付近の組成の介在物量が増大し、またスラグ中の
Al23量が15%を超えると、溶鋼内に残存するAl
23量が過剰となり、Ca添加後の介在物組成が図1の
A領域付近となり、いずれの場合も軟質・高延性介在物
の確保ができなくなる。
【0030】ところが、精練時に使用するスラグ組成を
上記の様にCaO/SiO2重量比で0.6〜1.0、
Al23量を5〜15%の範囲に調整してやれば、精錬
後のCaの適量添加によって介在物組成を図1のB領域
付近に確実にコントロールすることができ、軟質・高延
性介在物の確保によって伸線性の優れた炭素鋼を確実に
得ることが可能となる。
【0031】なお、上記スラグを用いた精錬後に添加す
るCaの量は、溶鋼1トン当たり0.01〜0.05k
g、より好ましくは0.025〜0.035kgの範囲
が好ましく、0.01kg未満ではCa量不足で溶鋼精
錬後の溶鋼内の介在物組成が前記A領域付近となり、ま
た0.05kgを超える場合はCa過剰で精錬後の介在
物組成が前記C領域付近となり、いずれの場合も好適な
介在物組成である前記B領域付近に変化し難くなる。
【0032】Caの添加形態は特に制限されず、例えば
金属Ca粉末を鉄カプセルに封入して添加する方法、金
属Ca粉末を鉄材で被覆してからワイヤ状に加工して溶
鋼内に装入する方法、金属Caをブロック状でそのまま
添加する方法、更には金属Ca粉末をアルゴンなどの不
活性ガスと共に溶鋼内に吹き込む方法等を適宜採用でき
る。
【0033】
【実施例】以下、実施例を挙げて本発明の構成と作用効
果をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実
施例によって制限を受ける訳ではなく、前・後記の趣旨
に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能
であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含さ
れる。
【0034】実施例 溶銑を240トン転炉で一次精錬した後、取鍋加熱精錬
装置によりCaO-SiO2-Al23系スラグを用いて
二次精錬を行ない、該二次精練開始後にSi脱酸を行な
う。この時、湯面上のスラグ組成はCaO/SiO2
0.6〜1.0、Al23:5〜15%の範囲に制御
し、成分調整した後、溶鋼内にCaを所定量添加する。
尚Caは、鉄ケース内に金属Ca粉末を充填して伸線加
工したワイヤ状物として添加した。
【0035】得られた各溶鋼を鋳造し、鍛造してから最
終的に直径5.5mmの線状に加工し、各鋼材の固溶C
a量、非金属介在物組成、並びに伸線加工時の断線指数
を下記方法によって調べた。
【0036】成分調整後の鋼材組成を表1に、また各溶
鋼へのCa添加量と得られた鋼材の固溶Ca量および非
金属介在物組成、並びに夫々の鋼材を伸線加工したとき
の断線回数などを表2に一括して示す。また表2に示し
た評点とは、鋼中に存在する硬質・非延性介在物の大き
さと個数を指数化したもので、この値が小さいほど、硬
質・非延性介在物が小さく或いは個数が少ないことを意
味する。
【0037】[鋼材の固溶Ca量]直径5.5mmの各
鋼線材の軸心方向断面にCAMECA社製のイオン照射
機を用いて8kevのエネルギーを持った酸素イオンを
照射し、各鋼線断面から放出されたCaイオンを質量分
析することによって固溶Ca量を定量する。
【0038】[非金属介在物組成]直径5.5mm、長
さ20mmの各鋼線材を軸心方向縦断して5.5mm×
20mmの面を出す。該断面をEPMA(Electron Pr
obe Micro-analyzer)分析にかけ、長手方向長さが5
μm以上の介在物の全てに電子線を照射して、その反跳
情報から介在物組成(観察した全介在物の平均組成)を
求める。
【0039】
【表1】
【0040】
【表2】
【0041】表1,2より次の様に考察できる。
【0042】No.1〜9:本発明の規定要件を満たす
実施例であり、鋼中の非金属介在物組成は、いずれも図
1のB領域内の軟質・高延性組成を有しており、いずれ
も断線指数が非常に小さく、伸線加工性に優れたもので
あることが分かる。
【0043】これらに対しNo.10〜17は、鋼中の
固溶Ca量が本発明の規定範囲を外れており、介在物組
成は図1のA領域あるいはC領域となっており、硬質・
非延性介在物量が多いため何れも断線指数が高く、伸線
加工性が悪い。
【0044】
【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、鋼
中のSiおよびAl量を規定すると共に、固溶Ca量を
特定範囲に制御することによって、介在物組成を軟質・
高延性を示す図1のA領域付近に調整することができ、
伸線加工性の優れた炭素鋼を提供できる。また本発明の
方法によれば、Si脱酸鋼の精錬工程で使用するスラグ
組成を特定すると共に、精錬溶鋼内に所定量のCaを添
加して鋼中の固溶Ca量を所定範囲内に調整することに
より、介在物を軟質・高延性組成に変えて伸線性に優れ
た炭素鋼を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】CaO−SiO2−Al23三元系スラグ組成
を示す三角図である。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 0.15〜1.5%(質量%を意味す
    る、以下同じ)のSiを含む炭素鋼からなり、二次イオ
    ン質量分析法によって求められる固溶Al量が0.00
    1%以下(0%を含まない)、固溶Ca量が0.005
    〜0.1ppmであることを特徴とする伸線性に優れた
    炭素鋼。
  2. 【請求項2】 鋼中のC含有量が0.4〜1.0%、M
    n含有量が0.2〜1.0%である請求項1に記載の炭
    素鋼。
  3. 【請求項3】 鋼が、更に他の元素としてCo、Cuお
    よびCrよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素
    を、夫々1%以下含有するものである請求項1または2
    に記載の炭素鋼。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載された炭
    素鋼を製造する方法であって、Si脱酸溶鋼を、CaO
    /SiO2が0.6〜1.0(重量比)、Al23含有
    量が5〜15%であるスラグを用いて精錬した後、該溶
    鋼に、溶鋼1トン当たり0.01〜0.05kgのCa
    を添加することを特徴とする伸線性に優れた炭素鋼の製
    法。
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