JP2007029965A

JP2007029965A - 高炭素鋼線、その製造方法とそれを用いた高強度ｐｃ鋼撚り線

Info

Publication number: JP2007029965A
Application number: JP2005213789A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Maekawa; 智哉前川; Toshihiko Niki; 敏彦仁木; Takashi Ichiki; 隆志市来
Original assignee: Sumitomo SEI Steel Wire Corp
Current assignee: Sumitomo SEI Steel Wire Corp
Priority date: 2005-07-25
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】高炭素鋼線をその線の靭性を損なわずに伸線加工可能となすこと、伸線して得られた鋼線を撚り合わせて引張り強度をこれまで以上に高めたＰＣ鋼撚り線を得ることを課題としている。
【解決手段】Ｃ０．８〜１．３０ｗｔ％含有の高炭素鋼線材をパテンティング処理後に複数枚のダイスを用いて伸線し、その伸線を、総減面率７０〜９０％、各ダイスによる減面率１０〜３０％、伸線速度２０〜５００ｍ／ｍｉｎの条件下で行い、かつ、ダイス３の出口からダイスごとに配置された伸線機の伸線釜５に到達するまでの間に線材８の表面温度を１４５℃以下に制御して行って高炭素鋼線を製造するようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、高炭素鋼線をその線の靭性を損なわずに伸線加工することを可能にした高炭素鋼線の製造方法と、その方法で製造された鋼線を撚り合わせて得られる引張り強度の高いＰＣ鋼撚り線に関する。

過共析鋼を使用する高強度鋼線や、それを撚り合わせて製造される高強度ＰＣ鋼撚り線は、炭素含有量の増加による加工性低下や歪時効による靭性低下によって伸線時や撚り合わせ時（ねじり付与時）に素線の割れという問題が発生する。その対策として下記特許文献１，２は、下記の方法を開示している。

特許文献１が開示している方法は、Ｃ：０．７５〜１．００％、Ｓｉ：０．８０〜３．０％、Ｍｎ：０．３０〜０．８０％、残部Ｆｅ及び不可避不純物の組成（Ｓｉ系）、もしくは、Ｃ：０．７０〜１．００％、Ｓｉ：０．８０〜３．０％、Ｍｎ：０．８０〜２．０％、Ｃｒ：０．１０〜０．５０％、残部Ｆｅ及び不可避不純物の組成（Ｓｉ−Ｍｎ−Ｃｒ）の高炭素鋼線材をパテンティング処理することにより微細パーライト組織を生じさせてその引張り強度を１４３〜１６２ｋｇ／ｍｍ^２とし、伸線回数７〜１６回、伸線速度５０〜５５０ｍ／分、伸線加工度７０〜９３％の条件で各伸線ごとに直ちに水冷して伸線する。

また、特許文献２が開示している方法は、Ｃ：０．７０〜１．００％、Ｓｉ：０．５０〜２．０％、Ｍｎ：０．５０〜１．５０％、Ｎ：０．００３〜０．０１５％、Ａｌ：０．０２０〜０．１０％、残部Ｆｅ及び不可避不純物の組成の線材をパテンティング処理することにより微細パーライト組織でその引張り強度を１３８ｋｇ／ｍｍ^２以上とした後、伸線回数７〜１６回、伸線速度５０〜５５０ｍ／分、伸線加工度７０〜９３％の条件で伸線し、かつ最終のダイスから数えて少なくとも４番目以降のダイスについては全て伸線後直ちに水冷する。

特許文献１，２が開示している方法は、材料の成分を適切に調整し、また、伸線回数、伸線速度、伸線加工度などの条件も適切な範囲に設定し、加えて、伸線後の線材を速やかに冷却する方法を採用して、高強度、高靭性の鋼線の製造を可能にしている。しかしながら、強度が高められた鋼線を製造する場合には、伸線回数、伸線速度、伸線加工度などの規定のみでは満足に対応できないことがわかった。特許文献１，２は、伸線後の冷却温度については詳しく触れていない。また、特許文献２は、数個のダイスについて伸線後の水冷が必要としており、各ダイスでの冷却を必須の要件にしていない。

ところが、引張り強度の高い鋼線を製造する場合には特に、伸線後の温度が鋼線の歪時効に対して無視できない影響を及ぼすことを見出した。特許文献１，２が開示している方法では、伸線後に線材を直ちに水冷しても、季節、天候などの環境条件によっては線材の温度が本願発明者によって見出された上限温度(その温度は後述する)を超えることがあり、歪時効による靭性低下をなくし得ない。

特許第１７５２５２９号公報特許第１８２０６７２号公報

この発明は、高炭素鋼線をその線の靭性を損なわずに伸線加工可能となすこと、及びこの発明の方法で製造された鋼線を撚り合わせて引張り強度をこれまで以上に高めたＰＣ鋼撚り線を得ることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、Ｃ含有量０．８〜１．３０ｗｔ％の高炭素鋼線材をパテンティング処理後に複数枚のダイスを用いて伸線し、その伸線を、総減面率７０〜９０％、各ダイスによる減面率(断面積減少率、即ち伸線加工度)１０〜３０％、伸線速度２０〜５００ｍ／ｍｉｎの条件下で行い、かつ、各ダイスの出口からダイスごとに配置された伸線機の伸線釜に到達するまでの間に線材の表面温度を１４５℃以下に制御して高炭素鋼線を製造する。

ダイスを出た線材の表面温度は、各ダイスの減面率を下げる、伸線速度を下げる、ダイスボックスを冷却効率の良い直水冷型にする、もしくは、潤滑性能の良い潤滑剤を使用して伸線を行うと言った方法の一つもしくは複数を組み合わせることによって１４５℃以下に制御することができる。

なお、各ダイスによる減面率はより好ましくは１５〜２５％、伸線速度はより好ましくは２０〜２００ｍ／ｍｉｎである。

また、材料の高炭素鋼線材は、Ｃ：０．８７〜１．３０ｗｔ％、Ｓｉ：０．５〜１．２ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｃｒ：０．０５〜１．５ｗｔ％、残部不可避不純物とＦｅが好ましい。

この発明の鋼線の製造方法によれば、例えば、伸線後の直径が５．２０ｍｍの鋼線について、引張り強度４５ｋＮ以上でありながら良好な捻回特性をもつことができる。この発明においては、その特性を有する直径５．２０ｍｍの高炭素鋼線を素線として使用し、この素線を７本撚り合わせて構成される標準径１５．２ｍｍ、引張り強度３１０ｋＮ以上の高強度ＰＣ鋼撚り線も併せて提供する。

複数枚のダイスを用いる伸線機では、個々のダイスに伸線釜を付属させ、その伸線釜でダイスに通した線材に引き抜き力を加える。この方法によると、ダイスを通過するたびに線材が発熱する。発熱した線材は、伸線釜に熱が吸収されて冷却されるが、ダイスを出た線材が伸線釜に到達するまでの温度が歪時効に無視できない影響を及ぼす。そこで、この発明においては、各ダイスを出た線材の表面温度を伸線釜に到達するまでに１４５℃以下に制御する。

歪時効による鋼線の靭性低下は、温度に依存し、伸線の加工開始から終了までの発熱の積み重ねによって生じる。高強度ＰＣ鋼撚り線に用いる素線の多くは、歪時効の感受性が高い過共析鋼であり、温度が高いと時効硬化が加速的に進行する。それを抑えるために、加工後の線を直接水冷するなどして速やかに冷却する方法が採られているが、冷却だけでは歪時効の抑制効果が不十分になる。このために、前掲の特許文献１，２は、材料成分、伸線回数、伸線加工度、パテンティング強度を有機的に組み合わせた方法を開発している。しかしながら、ダイス１枚当たりの加工度が大きいと発熱量が大きくなり、また、伸線速度が速い場合には直水冷はほとんど効果がなく、そのために、特許文献１，２の方法では、伸線釜に到達したときの線材の表面温度が１４５℃以下になることが保証されない。

この発明では直水冷だけで対応できなければ、ダイス１個当たりの減面率減少、伸線の減速、或いは潤滑を組み合わせて伸線釜に到達したときの線材の表面温度を１４５℃以下となす。また、全てのダイスにおける伸線でこの条件を満足させる。

時効硬化を抑制するには温度を下げればよいことがわかるが、具体的に何度まで温度を下げればよいのかはわかっていなかった。発明者等は、その温度に着目し、伸線釜に到達したときの線材の表面温度が１４５℃以下であると歪時効による鋼線の割れがなくなることを実験で見出してこの発明を完成させるに至った。表面温度が１４５℃以下でなければならない理由は定かでない。しかしながら、複数枚のダイスを用いて高炭素鋼線材の伸線を複数回繰り返したときに、各ダイスのうち、どこか１箇所でも１４５℃以下の条件を満たさない箇所があると得られる鋼線に割れが発生したのに対し、全ての伸線箇所で１４５℃以下の条件を満たしたときにはその割れが全く発生しなかった。このために１４５℃を温度の上限とした。制御のパラメータとなるこの数値を見出したことにより、伸線釜に到達したときの線材の表面温度を確実に１４５℃以下にして歪時効による鋼線の割れを無くすることが可能になった。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。この発明の高炭素鋼線の製造に用いる伸線機の一例の概要を図１に示す。図の１は、ダイスボックスである。このダイスボックス１は、潤滑剤槽２、ダイス（伸線ダイス）３、冷却用水槽４を連ならせたものになっている。５は、ダイス３に通した線材８に引き抜き力を加える伸線釜、６は引き抜き力を調整するダンサーローラ、７は温度計である。温度計７は、走行する線材８を対のローラで挟んで線材の温度を測定する接触式温度計を用いている。

この発明では、図１に示したダイスボックス１から伸線釜５までの要素を複数組設けた伸線機を用い、総減面率を７０〜９０％、各ダイスによる減面率を１０〜３０％にして伸線を行う。従って、１台の伸線機のダイスの総数は、計算上は４〜１８枚となるが、伸線回数が少ないと一つのダイスの加工負担が大きくなって線材の脆化が進み易く、また、伸線回数が多すぎると線材加工に不具合が生じ、カッピー断線の原因となるので、ダイス３の数は９〜１２枚とするのが望ましい。

なお、一般的な伸線機の場合、ダイスボックス１の長さ（潤滑剤槽２の入り口から水槽４の出口までの長さ）は、約３０ｃｍ、ダイスボックス１の出口から伸線釜５までの距離Ｌは、１〜２ｍ程度である。温度計７は、ダイスボックス１から伸線釜５に至る経路の途中にあり、そのために、厳密には、線材８が伸線釜５に到達したときの温度を測定したことにはならないが、ダイスボックス１の出口から伸線釜５までの間で線材８の温度が大きく変化することは考えられないので、図のように経路の途中で測定した温度を線材８が伸線釜５に到達したときの温度とみなすようにしている。

この発明では、最終的には製造した鋼線を７本撚り合わせて標準径１５．２ｍｍ、引張り強度３１０ｋＮ以上の高強度ＰＣ鋼撚り線を作ることを目標にしている。その目標を達成するためには、伸線後の直径が５．２０ｍｍの鋼線の機械的特性として、引張り強度４５ｋＮ以上を満足させる必要がある。良好な生産性を確保しながらその要求に応えるために、この発明では、総減面率を７０〜９０％に、各ダイスによる減面率を１０〜３０％に、伸線速度を２０〜５００ｍ／ｍｉｎにそれぞれ限定して伸線を行う。

また、出発材料となる線材は、好ましくは、Ｃ：０．８７〜１．３０ｗｔ％、Ｓｉ：０．５〜１．２ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｃｒ：０．０５〜１．５ｗｔ％、残部不可避不純物とＦｅの組成の高炭素鋼線材を使用する。必要に応じて、上記の成分にＡｌを０．０２０〜０．０２４ｗｔ％添加した組成の高炭素鋼線材も好ましい。この線材をパテンティング処理した後に伸線加工を施す。

以下に、この発明の高炭素鋼線の製造方法の実施例を挙げる。下記の線種の線材を用意した。
線種：Ｃ：１．００ｗｔ％、Ｓｉ：０．８７ｗｔ％、Ｍｎ：０．４１ｗｔ％、Ｃｒ：０．２１ｗｔ％、Ａｌ：０．０２２ｗｔ％、残部不可避不純物とＦｅ。
上記成分の線材をパテンティング処理し、これを９枚のダイスを有する伸線機で伸線した。伸線機は、図１に示す潤滑剤槽２と冷却用水槽４を各ダイスに伴わせたものを用い、伸線速度は、No.９ダイスの位置で１００ｍ／ｍｉｎ、１１０ｍ／ｍｉｎ、１２０ｍ／ｍｉｎ、１３０ｍ／ｍｉｎにした。潤滑剤は、モリブデンが５％以上添加されたものを用いた。

その他の加工の条件を以下に記す。
加工前線径：φ１３．０ｍｍ
加工後線径：φ５．０ｍｍ（許容誤差を無視）
ダイス１個当たりの減面率：約２０％
加工前線材強度：１４９０〜１５４５Ｎ／ｍｍ^２

以上の条件で試料１〜７の線材（試料１〜５は発明の条件を満たし、試料６，７はその条件を満たさない）について伸線を行い、各試料についてNo.１ダイス〜No.９ダイスによる伸線後の線材温度（伸線釜到達時の線材温度）と得られた鋼線の割れの有無を調べた。その結果を表１に示す。

次に、割れの発生しなかった試料１〜５の伸線材（鋼線の完成品）の室温下での機械的特性（引張り強度と捻回値）を調べた。その結果を表２に示す。ただし、捻回試験は線径の１００倍で行った。

実施例１で得た試料１〜５の直径５ｍｍの鋼線９を７本ずつ撚り合わせて標準径１５．２ｍｍの図２に示す断面形状のＰＣ鋼撚り線１０を製造し、各ＰＣ鋼撚り線の性能を評価した。その結果を表３に示す。表３のＰＣ鋼撚り線１０Ａ〜１０Ｅは、１０Ａが試料１の鋼線を、１０Ｂが試料２の鋼線を、１０Ｃが試料３の鋼線を、１０Ｄが試料４の鋼線を、１０Ｅが試料５の鋼線をそれぞれ使用したものである。

この実施例からわかるように、この発明によれば、高炭素鋼線をその線の強度、靭性を損なわずに伸線加工して製造することができ、また、撚り合わせる素線の本数や素線径を増加させずに、得られた鋼線を撚り合わせて引張り強度をこれまで以上に高めたＰＣ鋼撚り線を得ることができる。

この発明の高炭素鋼線の製造に用いる伸線機の一部分の概要を示す図この発明のＰＣ鋼撚り線の断面図

符号の説明

１ダイスボックス
２潤滑剤槽
３ダイス
４冷却用水槽
５伸線釜
６ダンサーローラ
７温度計
８線材
９鋼線
１０ＰＣ鋼撚り線

Claims

Ｃ０．８〜１．３０ｗｔ％含有の高炭素鋼線材をパテンティング処理後に複数枚のダイスを用いて伸線し、その伸線を、総減面率７０〜９０％、各ダイスによる減面率１０〜３０％、伸線速度２０〜５００ｍ／ｍｉｎの条件下で行い、かつ、各ダイスの出口からダイスごとに配置された伸線機の伸線釜に到達するまでの間に線材の表面温度を１４５℃以下に制御して行う高炭素鋼線の製造方法。
各ダイスによる減面率を１５〜２５％にして伸線を行う請求項１に記載の高炭素鋼線の製造方法。
伸線速度を２０〜２００ｍ／ｍｉｎにして伸線を行う請求項１又は２に記載の高炭素鋼線の製造方法。
高炭素鋼線材として、Ｃ：０．８７〜１．３０ｗｔ％、Ｓｉ：０．５〜１．２ｗｔ％、Ｍｎ：０．１〜１．０ｗｔ％、Ｃｒ：０．０５〜１．５ｗｔ％、残部不可避不純物とＦｅの組成の線材を使用する請求項１〜３のいずれかに記載の高炭素鋼線の製造方法。
引張り強度４５ｋＮ以上の機械的特性を有する直径５．２０ｍｍの高炭素鋼線を素線として使用し、その素線を７本撚り合わせて構成される標準径１５．２ｍｍ、引張り強度３１０ｋＮ以上の高強度ＰＣ鋼撚り線。