JP2005298916A

JP2005298916A - 耐水素脆化特性に優れた高強度ｐｃ鋼棒およびその製造方法

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Publication number: JP2005298916A
Application number: JP2004117892A
Authority: JP
Inventors: Toshizo Tarui; 敏三樽井; Takashi Fujita; 崇史藤田; Koji Hirano; 弘二平野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-04-13
Filing date: 2004-04-13
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2024-04-13
Also published as: JP4464735B2

Abstract

【課題】耐水素疲労特性と耐遅れ破壊特性の良好な強度が１４５０Ｍｐａ以上の高強度ＰＣ鋼棒を提供する。
【解決手段】本発明鋼棒は、質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜３％、Ｍｎ：０．３〜２％、Ａｌ：０．００２〜０．１％、必要に応じて、Ｎｉ０．０５〜３％、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｏ：０．０５〜２％、Ｖ：０．０２〜１％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％、Ｂ：０．００３〜０．００５％の１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、引張強さが１４５０Ｍｐａ以上、表層の残留応力が−１００〜−１２００ＭＰａであることを特徴とする。また、その製造方法は、ＰＣ鋼棒を焼入れ焼戻し処理した後、液体中に浸漬または鋼表面に液体の膜を形成し、０．１〜１０ＧＷ／ｃｍ²のピークパワー密度を持つレーザにて、投入熱量０．３Ｊ／ｍｍ²以上のレーザ照射を行うことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ポール、パイルおよび建築、橋梁等のプレストレストコンクリート構造物の補強材として広く使われているＰＣ鋼棒に関わるものであり、特に強度が１４５０ＭＰａ以上で且つ耐水素疲労特性と耐遅れ破壊特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒に関するものである。

ポール、パイルおよび建築、橋梁等のプレストレストコンクリート構造物の補強材として広く使われているＰＣ鋼材は、通常、ＪＩＳＧ３５３６に規定されているＰＣ鋼線及びＰＣ鋼撚線、ＪＩＳＧ３１０９に規定されているＰＣ鋼棒が使われている。ＰＣ鋼線に用いられる材料はＪＩＳＧ３５０２に適合したピアノ線材であり、パテンティング処理をした後、伸線加工することにより製造される。

一方、ＰＣ鋼棒は、例えば特許文献１に記載されているように、Ｃ量が０．２５〜０．３５％の中炭素鋼を用いて焼入れ・焼戻し処理をすることによって製造されている。非特許文献１に記載されているように、強度が１２７５ＭＰａ以上(１３０ｋｇｆ／ｍｍ^２)を超えるような高強度ＰＣ鋼棒は、ＰＣ鋼線に比べて耐遅れ破壊特性（応力腐食破壊）が劣っているという課題があった。

一方、本発明者らが実際のＰＣ鋼棒の破断状況を詳細に解析した結果、遅れ破壊以外に水素疲労による破壊例もかなりあることが明確になった。即ち、プレストレストコンクリート構造物に用いられるＰＣ鋼棒には所定の静的荷重以外に変動荷重が負荷され、ＰＣ鋼棒が腐食すると鋼棒中に水素が侵入する。変動荷重が負荷され、水素が侵入する環境下では、遅れ破壊以外に水素に起因する疲労破壊の影響も重要であることを見出した。

ＰＣ鋼棒の耐遅れ破壊特性を向上させる従来の知見として、例えば、特許文献２ではＰ、Ｓ含有量を低減することが有効であり、また、特許文献１ではＳｉ、Ｍｎ含有量を規制するとともに焼入れ処理後、焼戻し工程中で曲げ加工または引き抜き加工を施す技術が提案されている。更に、特許文献３〜５においてもＰＣ鋼棒の耐遅れ破壊特性を改善する技術が提案されている。

特公平０５−０４１６８４号公報特公平０５−０５９９６７号公報特開平０９−０７８１９１号公報特開平１１−２２９０９０号公報特開２００３−１２９１７８号公報「プレストレストコンクリート設計施工規準・同解説」（日本建築学会編集、丸善、昭和６２年１月２５日第３版発行）の４３〜４５頁

しかしながら、上記従来の技術をもってしても、耐水素脆化特性を大幅に向上させることには限界があった。

そこで、本発明は、上記の如き実状に鑑み、耐水素疲労特性と耐遅れ破壊特性の良好な強度が１４５０ＭＰａ以上の高強度ＰＣ鋼棒を実現することを目的とするものである。

本発明者らは、まず焼入れ・焼戻し処理によって製造した種々の強度レベルのＰＣ鋼棒を用いて、水素による疲労破壊を詳細に解析した。ここで、疲労試験は下記の条件で行った。（ａ）まず、ＰＣ鋼棒の引張強さの０．７倍を最小応力とした部分片振り引張疲労試験（平滑疲労試験片）を行い、１０^７サイクルの疲れ限度を求める。（ｂ）電解水素チャージにより種々のレベルの拡散性水素量を含有させた後、疲労試験中に試料から大気中に水素が抜けることを防止するためにＣｄめっきを施し、次いで部分片振り疲労試験を行い、疲労破壊までの疲労寿命（繰返し数）を求める。ここで、最小応力は引張強さの０．７倍、最大応力は「引張強さの０．７倍＋（ａ）で求めた疲れ限度の０．９倍」の一定の応力振幅である。

図１に引張強さが１５３５ＭＰａのＰＣ鋼棒の疲労寿命と拡散性水素量について解析した一例を示す。横軸の繰返し数で例えば、１．Ｅ＋０４は１×１０^４を表す。試料中に含まれる拡散性水素量が少なくなるほど疲労寿命が長くなり、拡散性水素量がある値以下では繰返し数が１０^７サイクルでも疲労破壊が発生しなくなる。１０^７サイクルで疲労破壊しない水素量の上限を「疲労限界拡散性水素量」と定義する。疲労限界拡散性水素量が高いほどＰＣ鋼棒の耐水素疲労破壊特性は良好であり、鋼材の成分、熱処理等の製造条件によって決まる鋼材固有の値である。なお、試料中の拡散性水素量はガスクロマトグラフで容易に測定することができる。

また、ＰＣ鋼棒の耐遅れ破壊特性の評価は、遅れ破壊が発生しない「遅れ破壊限界拡散性水素量」を求めることにより評価した。この方法は、電解水素チャージにより種々のレベルの拡散性水素量を試料に含有させた後、遅れ破壊試験中に試料から大気中に水素が抜けることを防止するためにＣｄめっきを施し、その後、大気中で所定の荷重を負荷し、遅れ破壊が発生しなくなる拡散性水素量を評価するものである。本発明での遅れ破壊試験片形状は、切欠きを付けない平滑試験片を用いており、遅れ破壊試験の荷重は最大引張荷重の０．９倍である。試料中に含まれる拡散性水素量が少なくなるほど遅れ破壊に至るまでの時間が長くなり、拡散性水素量がある値以下では遅れ破壊が発生しなくなる。６０００分（１００時間）で遅れ破壊しない水素量の上限を「遅れ破壊限界拡散性水素量」と定義する。遅れ破壊限界拡散性水素量が高いほど鋼材の耐遅れ破壊特性は良好であり、鋼材の成分、熱処理等の製造条件によって決まる鋼材固有の値である。

そこで、高強度ＰＣ鋼の疲労限界拡散性水素量および遅れ破壊限界拡散性水素量を増加させる手段、即ち耐水素疲労破壊特性と耐遅れ破壊特性を両立させるべく、種々検討を重ねた。この結果、ＰＣ鋼棒の表層に圧縮残留応力を付与させることが疲労および遅れ破壊限界拡散性水素量を向上に対して有効であることを見出した。更に、ＰＣ鋼棒への圧縮残留応力の付与方法として、レーザ処理が極めて有効であると言う全く新たな知見を見出した。即ち、同一の圧縮残留応力であっても、従来のショットピーニング法よりもレーザ処理を施したＰＣ鋼棒の耐水素疲労特性と耐遅れ破壊特性は格段に優れることを明確にした。

以上の検討結果に基づき、鋼材組成と圧縮残留応力および圧縮残留応力の付与方法を最適に選択すれば、耐水素疲労破壊特性と耐遅れ破壊特性の優れた高強度ＰＣ鋼棒を実現できると言う結論に達し、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、次の通りである。

（１）質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜３％、Ｍｎ：０．３〜２％、Ａｌ：０．００２〜０．１％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、引張強さが１４５０ＭＰａ以上、表層の残留応力が−１００〜−１２００ＭＰａであることを特徴とする、耐水素脆化特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒。

（２）さらに、質量％で、Ｎｉ：０．０５〜３％、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｏ：０．０５〜２％、Ｖ：０．０２〜１％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする、上記（１）に記載の耐水素脆化特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒。

（３）質量％で、Ｃ：０．２〜０．６％、Ｓｉ：０．０５〜３％、Ｍｎ：０．３〜２％、Ａｌ：０．００２〜０．１％を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＰＣ鋼棒を焼入れ焼戻し処理した後、液体中に浸漬または鋼表面に液体の膜を形成し、０．１〜１０ＧＷ／ｃｍ^２のピークパワー密度を持つレーザにて、投入熱量０．３Ｊ／ｍｍ^２以上のレーザ照射を行うことを特徴とする、耐水素脆化特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒の製造方法。

（４）前記ＰＣ鋼棒が、質量％で、Ｎｉ：０．０５〜３％、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｏ：０．０５〜２％、Ｖ：０．０２〜１％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％の１種又は２種以上を含有することを特徴とする、上記（３）に記載の耐水素脆化特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒の製造方法。

本発明は、引張強さが１４５０ＭＰａ以上の高強度ＰＣ鋼棒にレーザ処理による圧縮残留応力を付与することによって、高強度ＰＣ鋼棒の耐水素脆化特性を大幅に向上させたものであり、産業上の効果は極めて顕著である。

以下に本発明を実施するための最良の形態について説明する。

まず、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は、ＰＣ鋼棒の強度を確保する上で必須の元素であるが、０．２％未満では所要の強度が得られず、一方０．６％を越えると延性が低下するため、０．２〜０．６％の範囲に制限した。

Ｓｉは、リラクゼーション特性を向上させるとともに固溶体硬化作用によって強度を高める作用がある。０．０５％未満では前記作用が発揮できず、一方、３％を超えても添加量に見合う効果が期待できないため、０．０５〜３％の範囲に制限した。

Ｍｎは、脱酸、脱硫のために必要であるばかりでなく、マルテンサイト組織を得るための焼入性を高めるために有効な元素であるが、０．３％未満では上記の効果が得られず、一方２％を越えて添加しても添加量に見合う効果が得られないため、０．３〜２％の範囲に制限した。

Ａｌは、脱酸および熱処理時においてＡｌＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止する効果がある。また、Ｂを添加する場合、Ｎを固定し焼入性および耐水素脆化特性の向上に有効な固溶Ｂを確保する効果も有している。０．００２％未満では上記の効果が発揮されず、０．１％を越えても効果が飽和するため０．００２〜０．１％の範囲に限定した。

以上が本発明の対象とする鋼の基本成分であるが、本発明においては、更にこの鋼にＮｉ：０．０５〜３％、Ｃｒ：０．０５〜２％、Ｍｏ：０．０５〜２％、Ｖ：０．０２〜１％、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｔｉ：０．００３〜０．１％、Ｂ：０．０００３〜０．００５％の１種または２種以上を含有せしめることができる。

Ｎｉは、高強度化に伴って劣化する延性を向上させるとともに熱処理時の焼入性を向上させて引張強さを増加させるために添加されるが、０．０５％未満ではその効果が少なく、一方３％を越えても添加量にみあう効果が発揮できないため、０．０５〜３％の範囲に制限した。

Ｃｒは、焼入性の向上および焼戻し処理時の軟化抵抗を増加させるために有効な元素であるが、０．０５％未満ではその効果が十分に発揮できず、一方２％を超えて添加しても効果が飽和するため、０．０５〜２％の範囲に限定した。

Ｍｏは、強い焼戻し軟化抵抗を有し熱処理後の引張強さを高めるために有効な元素である。更に、Ｍｏは耐水素脆化特性を向上させる効果がある。０．０５％未満では上記効果が少なく、一方、２％を越えて添加しても製造コストの点で添加量に見合う効果を得ることが困難であるため、０．０５〜２％に制限した。

Ｖは、焼入れ処理時において炭窒化物を生成することによりオーステナイト粒を微細化させるとともにリラクゼーション値を増加させる効果があり、更に耐水素脆化特性を向上させる効果も有しているが、０．０２％未満では前記作用の効果が得られず、一方１％を越えても効果が飽和するため０．０２〜１％に限定した。

ＮｂもＶと同様に炭窒化物を生成することによりオーステナイト粒を微細化させるために有効な元素である。０．００５％未満では上記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０．００５〜０．１％に制限した。

Ｔｉは、脱酸およびＴｉＮを形成することによりオーステナイト粒の粗大化を防止する効果とともにＮを固定し耐水素脆化特性の向上に有効な固溶Ｂを確保する効果を有しているが、０．００３％未満ではこれらの効果が発揮されず、０．１％を越えても効果が飽和するため０．００３〜０．１％の範囲に限定した。

Ｂは、耐水素脆化特性を向上させる効果があり、更にオーステナイト粒界に偏析することにより焼入性を著しく高める効果も有しているが、Ｂが０．０００３％未満では前記の効果が発揮されず、０．００５％を超えても効果が飽和するため０．０００３〜０．００５％に制限した。

Ｐ、Ｓについては特に制限しないものの、ＰＣ鋼棒の耐水素脆化特性を向上させる観点から、それぞれ０．０１５％以下が好ましい範囲である。また、ＮはＡｌ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉの窒化物を生成することによりオーステナイト粒の細粒化効果があるが、０．０１５％を越えると延性が低下するため、０．００３〜０．０１５％が好ましい範囲である。
次にＰＣ鋼棒表層の圧縮残留応力の限定理由について説明する。

下記に説明するレーザ処理による圧縮残留応力が−１００ＭＰａ未満では、高強度ＰＣ鋼棒の耐水素疲労特性と耐遅れ破壊特性の向上効果が少なく、一方、−１２００ＭＰａを超えるような圧縮残留応力をレーザ処理で付与することが困難なため、圧縮残留応力の範囲を−１００〜−１２００ＭＰａの範囲に制限した。高強度ＰＣ鋼棒の水素脆化による破壊を極力低下させる点で、好ましい圧縮残留応力の範囲は、−３００〜−１２００ＭＰａである。なお、本発明の残留応力は、ＰＣ鋼棒の軸方向の残留応力について限定したものであり、また、残留応力の測定方法はＸ線法によるものである。

疲労限界拡散性水素量および遅れ破壊限界拡散性水素量は、特に限定しないが、高強度ＰＣ鋼棒の水素脆化による破壊を極力低下させる点で、好ましい疲労限界拡散性水素量の下限は１．０ｐｐｍ、好ましい遅れ破壊限界拡散性水素量の下限は３．０ｐｐｍである。

拡散性水素量は、前述したようにガスクロマトグラフによる昇温水素分析法で測定することができる。本発明では、昇温速度が１００℃／時間であり、室温から４００℃までに試料から放出される水素量を拡散性水素量と定義している。

本発明の高強度ＰＣ鋼棒は、焼入れ・焼戻し処理によって所定の強度を得るものであり、焼戻しマルテンサイトが主体の組織である。その他の組織として、フェライト、ベイナイト、パーライトの１種又は２種以上を面積率で１０％以下を含有しても良い。フェライト、ベイナイト、パーライトの面積率は、試料の横断面のｄ／４部（ｄは高強度鋼の線径）２ｍｍ^２以上を光学顕微鏡（５００倍）で観察することによって、測定できる。

次に、本発明の製造方法の限定理由について説明する。

本発明では、焼入れ・焼戻し処理を行い、その後、ＰＣ鋼棒にレーザ処理を行うものである。この内、焼入れ・焼戻し処理条件は、従来の方法で良いため、特に限定しないが、耐水素脆化特性を向上させる好ましい条件は下記の通りである。

焼入れ処理の加熱温度は、９００〜１０００℃の範囲にし、その後、水冷または油冷を行いマルテンサイト組織にする。焼戻しは、４００〜７００℃の温度範囲で行う。耐水素脆化特性向上の点でより好ましい温度範囲は、５００〜７００℃である。また、加熱と焼戻しは、炉加熱よりも処理時間の短い高周波加熱の方が、耐水素脆化特性が良好なため、高周波加熱による焼入れ・焼戻しが好ましい熱処理方法である。

焼入れ・焼戻し処理後のレーザ処理の条件について説明する。図２は、本発明で用いたレーザ処理装置の概要構成である。ＰＣ鋼棒Ａを液体Ｂに浸漬し、外部からレーザ照射装置Ｃを用いてレーザ処理を行う。ここで、ＰＣ鋼棒１は連続的に回転しながら移動し、レーザ装置は固定である。液体Ｂは、水、食塩水などの水溶液、アルコールなどの有機溶剤、あるいはこれらの混合物であり、レーザの波長に対し透明な液体が好ましい条件である。ここで、必ずしもＰＣ鋼棒を液体中に浸漬させる必要はなく、ＰＣ鋼棒表面に液体の膜を形成し、その上からレーザ照射を行ってもよい。例えば、液体をレーザ照射部に噴きかければ、上記の状態を実現できる。レーザはパルスレーザを用いる。レーザのピークパワー密度が０．１ＧＷ／cｍ^２未満では、高い圧縮残留応力をＰＣ鋼棒に付与することができず、一方、１０ＧＷ／cｍ^２を超えるピークパワー密度でレーザ処理を行っても圧縮残留応力の付与効果が飽和するため、０．１〜１０ＧＷ／cｍ^２の範囲に限定した。また、ＰＣ鋼棒の単位面積当たり（ｍｍ^２）の投入熱量が、０．３Ｊ／ｍｍ^２未満では、高い圧縮残留応力をＰＣ鋼棒表面に付与することが困難であるため、投入熱量の下限を０．３Ｊ／ｍｍ^２に制限した。

レーザ処理による圧縮残留応力付与は、ショットピーニングによる圧縮残留応力付与よりも、耐水素脆化特性（耐水素疲労特性と耐遅れ破壊特性）が優れているが、この理由は、表面粗さがショットピーニングよりも小さいことに起因すると推定される。

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に示す化学成分を有する供試材を通常の熱間圧延条件で圧延した。その後、９３０〜９８０℃の高周波加熱による焼入れ処理を行い、高周波加熱による５００〜７００℃の焼戻しを施してＰＣ鋼棒を製造した。ミクロ組織は、いずれも焼戻しマルテンサイトが面積率で９５〜１００％であり、残部はフェライト、ベイナイト、パーライトの１種又は２種以上であった。焼入れ・焼戻し処理後に、ＰＣ鋼棒を水に浸漬し、レーザ処理を行った。

上記試料を用いて、機械的性質、残留応力、労限界拡散性水素量および遅れ破壊限界拡散性水素量を測定した。結果を表２に示す。表２の試験Ｎｏ．１〜２３が本発明例で、試験Ｎｏ．２４〜３７が比較例である。同表に見られるように本発明例は、いずれも耐水素疲労特性と耐遅れ破壊特性に優れた１４５０ＭＰａ以上の高強度ＰＣ鋼棒が実現されている。

これに対して、比較例であるＮｏ．２５、２７、３０、３３は、いずれも従来の焼入れ・焼戻し処理だけでＰＣ鋼棒を製造したものである。ＰＣ鋼棒の表層に圧縮残留応力が付与されていないため、疲労限界拡散性水素量および遅れ破壊限界拡散性水素量が低く、耐水素脆化特性が劣っている。

比較例であるＮｏ．２４、２６、３１、３２、３４は、レーザ処理条件が不適切な例である。即ち、Ｎｏ．２４はレーザ照射のピークパワー密度と投入熱量が低いために、また、Ｎｏ．３１、３４は、いずれもレーザ照射のピークパワー密度が低いために、ＰＣ鋼棒の圧縮残留応力値が低く、耐水素脆化特性の向上が少なかった例である。更に、Ｎｏ．２６、３２は、いずれも投入熱量が低いために圧縮残留応力が低く、疲労限界拡散性水素量および遅れ破壊限界拡散性水素量の向上効果が少なかった例である。

比較例であるＮｏ．２８、２９、３５は、いずれもショットピーニング法でＰＣ鋼棒表層に圧縮残留応力を与えた例である。いずれも、高い圧縮残留応力になっているが、疲労限界拡散性水素量、遅れ破壊限界拡散性水素量の向上効果は、本発明例に比べ低い例である。

比較例であるＮｏ．３６、３７は、いずれもＣ含有量が低すぎるために、目的とする１４５０ＭＰａ以上の高強度ＰＣ鋼棒が実現できなかった例である。

拡散性水素量と疲労寿命（破断までの繰返し数）の関係について解析した一例を示す図である。本発明の製造方法で用いたレーザ処理によるＰＣ鋼棒への圧縮残留応力の付与を行うための概要構成を示す図面である。

符号の説明

ＡＰＣ鋼棒
Ｂ液体
Ｃレーザー照射装置

Claims

質量％で、
Ｃ：０．２〜０．６％、
Ｓｉ：０．０５〜３％、
Ｍｎ：０．３〜２％、
Ａｌ：０．００２〜０．１％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、引張強さが１４５０ＭＰａ以上、表層の残留応力が−１００〜−１２００ＭＰａであることを特徴とする、耐水素脆化特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒。
さらに、質量％で、
Ｎｉ：０．０５〜３％、
Ｃｒ：０．０５〜２％、
Ｍｏ：０．０５〜２％、
Ｖ：０．０２〜１％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｔｉ：０．００３〜０．１％、
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする、請求項１に記載の耐水素脆化特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒。
質量％で、
Ｃ：０．２〜０．６％、
Ｓｉ：０．０５〜３％、
Ｍｎ：０．３〜２％、
Ａｌ：０．００２〜０．１％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＰＣ鋼棒を焼入れ焼戻し処理した後、液体中に浸漬または鋼表面に液体の膜を形成し、０．１〜１０ＧＷ／ｃｍ^２のピークパワー密度を持つレーザにて、投入熱量０．３Ｊ／ｍｍ^２以上のレーザ照射を行うことを特徴とする、耐水素脆化特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒の製造方法。
前記ＰＣ鋼棒が、質量％で、
Ｎｉ：０．０５〜３％、
Ｃｒ：０．０５〜２％、
Ｍｏ：０．０５〜２％、
Ｖ：０．０２〜１％、
Ｎｂ：０．００５〜０．１％、
Ｔｉ：０．００３〜０．１％、
Ｂ：０．０００３〜０．００５％
の１種又は２種以上を含有することを特徴とする、請求項３に記載の耐水素脆化特性に優れた高強度ＰＣ鋼棒の製造方法。