JP2001271138A - 延性の優れた高強度高炭素鋼線 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 デラミネーションの発生を防止し、延性の優
れた高強度高炭素鋼線を提供する。 【解決手段】 質量％で、Ｃ：0.8 〜1.1 ％、Ｓｉ：0.
1 〜2 ％、Ｍｎ：0.2 〜2 ％を含有するか、あるいは更
にＣｒ：0.05〜2 ％、Ｎｉ：0.1 〜1 ％、Ｖ：0.01〜0.
5 ％、Ａｌ：0.005 〜0.1 ％、Ｔｉ：0.002 〜0.1 ％、
Ｎｂ：0.002 〜0.1 ％の１種または２種以上を含むとと
もに残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼線におい
て、伸線加工されたパーライト組織を有し、かつフェラ
イト中のＣ濃度の最大値と最小値の差が1.3 原子％以下
であることを特徴とする延性の優れた高強度高炭素鋼
線。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＰＣ鋼線、ばね用
鋼線、橋梁用鋼線、送電線の補強用鋼線(ACSR)、あるい
は海底光ファイバーケーブル補強用の鋼線等に広く使用
されている高強度の高炭素鋼線に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】パーライト組織を有する高炭素鋼線材を
伸線加工によって強化した高炭素鋼線は、軽量化あるい
は工事期間の短縮のために高強度化のニーズが強まって
いる。ＰＣ鋼線、橋梁用鋼線等の高炭素鋼線は、高炭素
鋼線材をパテンティング処理後、冷間で伸線加工を行
い、最終的にブルーイング処理を施すか、あるいは耐食
性を確保するために溶融Ｚｎめっき、溶融Ｚｎ−Ａｌめ
っきなどを行う行程で製造されている。高炭素鋼線の高
強度化を達成する上での最大の課題は、鋼線の延性、特
に延性の評価方法の一つであるねじり試験において鋼線
の長手方向に生じる割れの発生（デラミネーション）を
抑制する技術にある。

【０００３】デラミネーションを抑制する従来の知見と
して、WIRE JOURNAL INTERNATIONAL(VOLUMUE16,No.4,19
83) の50頁には、鋼線の組織形態であるパーライト組織
のラメラー間隔を適正な大きさに制御することによって
亜鉛めっき鋼線のねじり試験におけるデラミネーション
を抑制できることが記載されている。また、延性低下の
防止あるいはデラミネーションを抑制する技術として、
特開平7-179994号公報にはパテンティング処理後のパー
ライトノジュールサイズを規制する技術が、特開平7-29
2443号公報にはSiとAl添加量を規制する技術が、特開平
8-53737 号公報には溶融めっき鋼線の表層硬度を制御す
る技術が、特開平8-120407号公報にはセメンタイトの平
均粒径を規制する技術が、特開平9-87803 号公報には固
溶Ｎ量を規制する技術がそれぞれ提案されている。

【０００４】しかし、本発明者らの詳細な研究によれ
ば、これらの技術では、例えば高強度の亜鉛めっき鋼線
において、線径が7mm で引張強さ1900MPa 以上、線径が
5mm で2100MPa 以上、線径が3mm で2300MPa 以上の延性
の優れた高強度高炭素鋼線を実現することは困難であっ
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の如き実
状に鑑みなされたものであって、ＰＣ鋼線、ばね用鋼
線、橋梁用鋼線、送電線の補強用あるいは海底光ファイ
バーケーブル補強用等に使用される高強度の高炭素鋼線
において、ねじり試験時に発生するデラミネーションの
発生を抑制し、延性の優れた高炭素鋼線を提供すること
を目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは高炭素鋼線
の高強度化の阻害要因である延性の支配要因について種
々解析した結果、伸線加工中に生じる不均一なセメンタ
イト分解が延性に対して著しく影響することを見出し
た。即ち、伸線加工歪みの増加とともにセメンタイトが
分解しフェライト中のＣ濃度は増加していくが、このセ
メンタイト分解が場所によって不均一に生じるためにＣ
濃度が不均一となり、この結果、高強度の高炭素鋼線の
延性が低下すると言う全く新たな事実を見出した。更
に、不均一なセメンタイト分解は、リラクセーション特
性、疲労特性を劣化させることも初めて明らかにした。

【０００７】以上の新知見に基づき、強加工したパーラ
イト組織におけるフェライト中の最大と最小のＣ濃度差
を低減すれば、高強度高炭素鋼線のデラミネーションの
発生を防止することが出来るととともにリラクセーショ
ン特性、疲労強度も向上させることが可能であるとの結
論に達し本発明をなしたものである。本発明は以上の知
見に基づいてなされたものであって、その要旨とすると
ころは、(1) 質量％で、Ｃ：0.8 〜1.1 ％、Ｓｉ、0.1
〜2 ％、Ｍｎ：0.2 〜2 ％を含有し残部はＦｅおよび不
可避的不純物からなる鋼線において、伸線加工されたパ
ーライト組織を有し、かつフェライト中のＣ濃度の最大
値と最小値の差が1.3 原子％以下であることを特徴とす
る延性の優れた高強度高炭素鋼線、(2) 質量％で、Ｃ
ｒ：0.05〜2 ％，Ｎｉ：0.1 〜1 ％及びＶ：0.01〜0.5
％の１種または２種以上を含有することを特徴とする
(1) 記載の延性の優れた高強度高炭素鋼線、(3) 質量％
で、Ａｌ：0.005 〜0.1 ％，Ｔｉ：0.002 〜0.1 ％及び
Ｎｂ：0.002〜0.1 ％の１種または２種以上を含有する
ことを特徴とする(1) または(2) 記載の延性の優れた高
強度高炭素鋼線、にある。

【０００８】ここで、伸線加工されたパーライト組織と
は、パテンティング処理でパーライト組織にした後に真
歪みで0.9 以上の伸線加工を行った組織と定義する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
まず本発明における高強度高炭素鋼線とは、引張強さが
線径あるいはブルーイング、溶融めっきの種類によって
異なるが、ＺｎめっきやＺｎ−Ｍｇめっきの場合におい
て、線径が7mm 前後で引張強さが1900MPa 以上、線径が
5mm 前後で2100MPa 以上、線径が3mm 前後で2300MPa 以
上の引張強さを有する高炭素鋼線であることを意味して
いる。

【００１０】以下に、本発明の対象とする鋼の成分の限
定理由について述べる。 Ｃ：Ｃはパテンティング処理後の引張強さの増加および
伸線加工硬化率を高める効果があり、より少ない伸線加
工歪で鋼線の引張強さを高めることができる。0.8 ％未
満では合金元素を添加してもパテンティング処理後の引
張強さが低く、また伸線加工硬化率も小さいため高強度
の高炭素鋼線を得ることが困難となる。一方、1.1 ％を
越えるとパテンティング処理時に初析セメンタイトがオ
ーステナイト粒界に析出して伸線加工性が劣化し伸線加
工工程で断線が発生しやすくなるため0.8 〜1.1 ％の範
囲に限定した。

【００１１】Ｓｉ：Ｓｉはパーライト中のフェライトを
強化させるためと鋼の脱酸のために有効であり、更に溶
融めっきあるいはブルーイングを行う際の強度低下の抑
制に極めて有効な元素である。0.1 ％未満では上記の効
果が期待できず、一方、2 ％を越えると熱間圧延工程で
表面脱炭が発生しやすくなるため、0.1 〜2 ％の範囲に
制限した。

【００１２】Ｍｎ：Ｍｎは脱酸、脱硫のために必要であ
るばかりでなく、鋼の焼入性を向上させパテンティング
処理後の引張強さを高めるために有効な元素であるが、
0.2％未満では上記の効果が得られず、一方、2 ％を越
えると上記の効果が飽和しさらにパテンティング処理時
のパーライト変態を完了させるための処理時間が長くな
りすぎて生産性が低下するため、0.2 〜2 ％の範囲に限
定した。

【００１３】以上が基本成分であるが、本発明ではパテ
ンティング処理後の強度を高めるためにＣｒ、Ｎｉ、Ｖ
の１種または２種以上、またパテンティング処理時のオ
ーステナイト粒の細粒化を図るためにＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂ
の１種または２種以上を含有することができる。 Ｃｒ：Ｃｒはパーライトのラメラー間隔を微細化しパテ
ンティング処理後の引張強さを高めるとともに伸線加工
硬化率を向上させる有効な元素であるが、0.05％未満で
は前記作用の効果が少なく、一方、2 ％を越えるとパテ
ンティング処理時のパーライト変態終了時間が長くなり
生産性が低下するため、0.05〜2 ％の範囲に限定した。

【００１４】Ｎｉ：Ｎｉはパテンティング処理時のラメ
ラー間隔を微細化し、パテンティング処理後の強度を高
めるとともに変態生成するパーライトを伸線加工性の良
好なものにする作用を有するが、0.1 ％未満では上記の
効果が得られず、1 ％を越えても添加量に見合うだけの
効果が少ないためこれを上限とした。 Ｖ：Ｖはパーライトのセメンタイト間隔を微細化しパテ
ンティング処理後の引張強さを高める効果があるが、こ
の効果は0.01％未満では不十分であり、一方、0.5 ％を
越えると効果が飽和するため0.01〜0.5 ％の範囲に制限
した。

【００１５】Ａｌ：Ａｌは脱酸のためと窒化物を形成す
ることによりパテンティング処理時のオーステナイト結
晶粒の粗大化を防止させるのに有効である。Ａｌの添加
量が0.005 ％未満では上記作用が十分でないため下限を
0.005 ％に限定した。一方、0.1 ％を越えて添加しても
効果が飽和するため、上限を0.1 ％に制限した。 Ｔｉ：Ｔｉは脱酸およびパテンティング熱処理において
炭窒化物を形成することにより結晶粒の粗大化を防止す
る効果を有しているが、0.002 ％未満ではこれらの効果
が発揮されず、0.1 ％を越えて添加しても効果が飽和す
るため0.002 〜0.1 ％の範囲に限定した。

【００１６】Ｎｂ：ＮｂはＴｉと同様に炭窒化物を生成
することにより結晶粒を微細化させるために有効な元素
であるが、0.002 ％未満ではその効果が不十分であり、
一方、0.1 ％を越えるとこの効果が飽和するため0.002
〜0.1 ％に制限した。他の元素は特に限定しないが、
Ｐ：0.02％以下、Ｓ：0.02％以下、Ｎ；0.007％以下が
望ましい範囲である。

【００１７】次に、本発明で目的とする高延性で且つ高
強度の高炭素鋼線を実現する上で極めて重要となる強加
工したパーライト組織におけるフェライト中のＣ濃度差
の限定理由について述べる。本発明では鋼線の延性をね
じり試験を用いて、デラミネーション発生の有無で評価
している。ここで、デラミネーションが発生する鋼線は
延性が低いことを意味している。図１は種々の条件で伸
線加工を行った後、ブルーイング処理を施した線径が5m
m の高炭素鋼線におけるフェライト中の最大と最小のＣ
濃度差とデラミネーション発生の有無の関係について解
析した一例である。高炭素鋼線の引張強さは、鋼の化学
成分、伸線加工歪みおよび伸線加工方法を変化させるこ
とによって、2200MPa 前後に調整したものである。同図
から明らかなように、強加工を受けたパーライト組織に
おけるフェライト中のＣ濃度差が1.3 原子％を越えると
デラミネーションが発生することがわかる。また、高炭
素鋼線の線径、強度を種々に変化させた場合についても
全く同様の結果が得られた。従って、フェライト中の最
大と最小のＣ濃度差を1.3 原子％以下に制限した。ねじ
り試験におけるねじり回数を高める点で、好ましいＣ濃
度差は1.0 原子％以下である。なお、Ｃ濃度差の下限は
０原子％でも本発明の効果を得ることができる。

【００１８】上記のようにセメンタイト分解の不均一性
に起因して生じるフェライト中のＣ濃度の不均一性は、
延性指標であるデラミネーション発生特性に対して大き
く影響する。この原因は以下のように考えられる。セメ
ンタイトが分解することにより生じた固溶Ｃは、伸線加
工によって生じたフェライト中の高密度の転位に偏析
し、転位を固着していると考えられる。フェライト中の
Ｃ濃度が場所によって異なることは、Ｃによる転位固着
強化量が場所によって異なり、ミクロ的な強度の不均一
性が起きていることを意味している。Ｃ濃度差が大きな
鋼線をねじり試験すると、強度の低い領域、即ちＣ濃度
の低い領域にねじり変形が集中するために亀裂が発生
し、デラミネーションが起きるものと考えている。これ
に対して、Ｃ濃度差が小さければ、強度が均一であるた
めに、ねじり変形は一様になりデラミネーションは発生
しなくなる。

【００１９】また、高強度の高炭素鋼線の疲労強度は、
通常の焼入れ焼戻し材に比べて低いが、Ｃ濃度差を1.3
原子％以下に制御すると疲労特性が向上する効果も有し
ている。これは、ねじり変形と同様に、フェライト中の
Ｃ濃度のが均一化されると、疲労による変形が一様にな
り、高炭素鋼線の高強度下に対応した疲労強度の増加が
得られるためである。更に、Ｃ濃度差を低減させるとリ
ラクセーション特性も向上させることが可能となる。

【００２０】フェライト中のＣ濃度は、アトムプローブ
電界イオン顕微鏡を用いれば、簡単に且つ正確に測定す
ることができる。本発明において、フェライト中のＣ濃
度Ｘは、アトムプローブ電界イオン顕微鏡による分析か
ら、全検出イオン数をＹ(total) 、Ｃの検出イオン数を
Ｙ(carbon)とした時に、下式により求めた。 Ｘ＝［Ｙ(carbon)／Ｙ(total) ］×１００ （原子％） また、フェライト中のＣ濃度の最大値と最小値は、同一
の鋼線から採取した10本以上の試料を用いて、フェライ
ト領域のＣ分析を行い求めた。

【００２１】次に、強加工された極細鋼線のパーライト
組織におけるフェライト中のＣ濃度差を1.3 原子％以下
に制御するために、最終パテンティング処理以降の製造
工程で下記のＡ〜Ｊの製造方法を採用することができ、
それぞれ単独ではなく、組み合わせることが重要であ
る。Ｃ濃度差が1.3 原子％以下の極細鋼線を製造するた
めには、Ａ〜Ｋの内、４種類以上、好ましくは５種類以
上の方法を組み合わせることが良い。

【００２２】Ａ：鋼の化学成分と最終パテンティング処
理条件を最適化することにより、パテンティング材強度
を1400MPa 以上にする。パテンティング処理は、ベイナ
イトが生成しない温度で行うことが重要であり、550 ℃
〜600 ℃で行うことが好ましい条件である。 Ｂ：アプローチ角度が8 〜12°、ベアリング長さが0.2
〜0.5 Ｄ（Ｄ: ダイス径）であるダイスを用いて伸線加
工を行う。

【００２３】Ｃ：少なくても最終ダイスは、超硬ダイス
ではなく、ダイヤモンドダイスを使用する。 Ｄ：伸線による加工発熱を抑える。好ましくは、伸線材
の温度を50℃以下に制御して伸線加工を行う。 Ｅ：潤滑能力の高い潤滑剤を使用する。好ましくは、ダ
イスと伸線材の摩擦係数が0.1 以下の潤滑剤を使用す
る。

【００２４】Ｆ：伸線加工において、真歪みが0.5 まで
の伸線加工の初期は、１ダイス当たりの減面率を20％〜
40％にする。 Ｇ：最終ダイスの減面率を10％以下にする。 Ｈ：伸線加工中に矯直加工を行う工程を１回以上入れ
る。 Ｉ：伸線加工後、矯直加工を施し、その後ブルーイング
または溶融めっきを行う。

【００２５】Ｊ：伸線加工後に溶融めっきを行う場合
は、溶融めっき前に450 〜600 ℃で1〜60秒間の加熱を
行う。 Ｋ：伸線加工後に溶融めっきを行う場合は、溶融めっき
前に矯直加工を施し、更に450 〜600 ℃で1 〜60秒間の
加熱を行う。

【００２６】

【実施例】以下、実施例により本発明の効果をさらに具
体的に説明する。表１に供試材の化学組成を示す。これ
らの供試材を用いて線径が2.4 〜8mm の高炭素鋼線を試
作し、その後、ブルーイングまたは溶融亜鉛めっきを施
した。表２に高炭素鋼線の製造条件および引張強さ、フ
ェライト中の最大と最小のＣ濃度およびＣ濃度差、ねじ
り試験におけるデラミネーション発生の有無、疲労強
度、リラクセーション値を示す。同表において、その他
の伸線条件の記号であるＢ〜Ｋは前述した内容である。
伸線後のブルーイング処理は高周波加熱で350 〜500℃
の条件で行い、また溶融亜鉛めっきは450 ℃の条件で行
い、亜鉛めっき厚みが約50μｍになるように調整した。
ねじり試験は、試験片の両端を線径の50倍のつかみの間
隔で固定した条件で行った。疲労強度は、最小応力が引
張強さの30％である部分片振り引張疲労試験で求めた。
ここで10７サイクルで疲労破断しない最大応力と最小応
力の差を疲労強度とした。リラクセーション試験は、20
℃で試験片に引張荷重の最小値の70％に相当する荷重
（載荷荷重）をかけ、その荷重を120 秒維持した後、10
00時間つかみ間隔をそのまま保持して荷重の減少を測定
した。元の載荷荷重に対するその減少した荷重の百分率
をリラクセーション値とした。

【００２７】表２において、試験No. １〜２１が本発明
例であり、表３において試験No. ２２〜３７は比較例で
ある。本発明例、比較例とも全て伸線加工されたパーラ
イト組織を有していた。表２に見られるように、本発明
例はいずれも線径に応じた高強度化が達成されていると
ともにフェライト中のＣ濃度差が1.3 原子％以下に制御
されている。この結果、高強度であるにもかかわらず、
ねじり試験においてデラミネーションの発生が無く高延
性の鋼線が実現できている。更に、疲労強度、リラクセ
ーション値も比較例に比べて良好となっている。

【００２８】これに対して表３に見られるように比較例
であるNo. ３４、３５は、いずれも鋼の化学成分が不適
切な例である。即ち、No. ３４は、Ｃ含有量が高すぎる
ためにパテンティング処理時に初析セメンタイトが析出
した例である。この結果、伸線加工性が劣化し、伸線加
工時に断線が発生したものである。No. ３５はＣ量が0.
71％と低いために目的とする高強度鋼線が達成できてい
ない例である。

【００２９】また、比較例であるNo. ２２〜３３、３
６、３７は、いずれの高炭素鋼線もフェライト中のＣ濃
度差が1.3 原子％を越えているため、デラミネーション
が発生した例である。更に、疲労強度、リラクセーショ
ン値も本発明例に比べ劣っていた。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】

【表３】

【００３３】

【発明の効果】以上の実施例からも明かなように、本発
明は高強度高炭素鋼線における延性低下（デラミネーシ
ョン発生）に対して、フェライト中の最大Ｃ濃度と最小
Ｃ濃度のＣ濃度差を低減することが極めて有効であるこ
とを見出すとともに、疲労及びリラクセーションも向上
することを明らかにし、高延性で且つ高強度の高炭素鋼
線を実現したものであり、産業上の効果は極めて顕著な
ものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】高炭素鋼線のフェライト中のＣ濃度差（最大と
最小の差）とデラミネーション発生の有無の関係につい
て解析した一例である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 質量％で、Ｃ：0.8 〜1.1 ％、Ｓｉ：0.
   1 〜2 ％、Ｍｎ：0.2 〜2 ％、を含有し残部はＦｅおよ
   び不可避的不純物からなる鋼線において、伸線加工され
   たパーライト組織を有し、かつフェライト中のＣ濃度の
   最大値と最小値の差が1.3 原子％以下であることを特徴
   とする延性の優れた高強度高炭素鋼線。
2. 【請求項２】 質量％で、Ｃｒ：0.05〜2 ％、Ｎｉ：0.
   1 〜1 ％、Ｖ：0.01〜0.5 ％の１種または２種以上を含
   有することを特徴とする請求項１記載の延性の優れた高
   強度高炭素鋼線。
3. 【請求項３】 質量％で、Ａｌ：0.005 〜0.1 ％、Ｔ
   ｉ：0.002 〜0.1 ％、Ｎｂ：0.002 〜0.1 ％の１種また
   は２種以上を含有することを特徴とする請求項１または
   ２記載の延性の優れた高強度高炭素鋼線。