JP2007070728A

JP2007070728A - メカニカルデスケーリング性に優れた鋼線材およびその製造方法

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Publication number: JP2007070728A
Application number: JP2006220629A
Authority: JP
Inventors: Mikako Takeda; 実佳子武田; Takaaki Minamida; 高明南田; Takashi Onishi; 隆大西; Takeshi Kuroda; 武司黒田; Hidenori Sakai; 英典酒井; 琢哉 ▲高▼知; Takuya Kochi; Tomotada Maruo; 知忠丸尾
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: JP4971719B2

Abstract

【課題】スケールロスによる歩留まり低下の軽減、及び、メカニカルデスケーリング（ＭＤ）前の時点でのスケール剥離（地鉄露出）による錆の発生の抑制がはかれ、ＭＤ性に優れた鋼線材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】Ｃ：0.05 〜1.2 質量％、Si：0.01〜0.5質量％、Mn：0.1 〜1.5質量％を含有する鋼線材において、スケール付着量が0.1 〜0.7 質量％であり、スケール中にFeO を30 vol％以上、Fe₂SiO₄を0.01 〜10vol ％含有することを特徴とするメカニカルデスケーリング性に優れた鋼線材。
【選択図】なし

Description

本発明は、鋼線材およびその製造方法に関する技術分野に属するものであり、より詳細には、メカニカルデスケーリング（以降、ＭＤともいう）性に優れた鋼線材およびその製造方法に関する技術分野に属するものである。

鋼片の熱間圧延により製造された鋼線材（以降、線材ともいう）の表面にはスケールが形成されており、線材の二次加工の伸線等に先立ち形成されたスケールを除去することが必要である。近年、線材の伸線加工においては、公害問題やコスト低減の観点から、スケール除去法としては、バッチ酸洗法から、メカニカルデスケーリング法（ＭＤ法）にかわりつつある。そのため、線材においてはメカニカルデスケーリング性（ＭＤ性）が良好なスケール特性を備えた線材の開発が望まれている。

このような観点から、ＭＤ性の良好なスケール性状を有する線材の製造方法として、下記(1) 〜(3) の方法が提案されている。

(1) 熱間圧延後、鋼線材を高温で巻き取ってスケールのFeO 比率を高めてスケール厚みを厚くし、線材の残留スケール量を低減する方法（特開平4-293721号公報、特開平11-172332 号公報記載の方法）。

(2) スケールの食い込みによるアンカー効果を防止するため、鋼線材の鋼−スケール界面粗度を低減する方法（特開平8-295992号公報記載の方法）。

(3) スケール内に気孔を含有させて、スケールの強度を低下させ、スケールの剥離性を改善する方法（特開平10-324923 号公報記載の方法）。

しかしながら、このような従来技術には以下のような問題がある。即ち、特開平4-293721号公報記載の方法や特開平11-172332 号公報記載の方法においては、高温で巻き取ってスケールを厚く形成するために線材ロスが生じて歩留まりの低下を引き起こす。また、過剰にスケールが成長すると、圧延中やコイリング時にスケールが剥離して地鉄が露出し、錆が発生する問題がある。更に、厚いスケールはＭＤ工程で均一に取ることは非常にむずかしく、局部的に取り残した残留スケールが多くなると、伸線工程において潤滑不良により疵が発生したり、ダイス寿命が劣化するなどの問題を引き起こす。

鋼−スケール界面粗度を低減してＭＤ性を向上させる方法（特開平8-295992号公報記載の方法）においては、界面粗度を目標以下に安定して得るのが困難で、安定的にスケールの除去処理を行うことが困難である。

スケール中に気孔を含有させる方法（特開平10-324923 号公報記載の方法）では、気孔を安定的にスケール中に導入するのが困難である上、気孔が逆に応力緩和の作用を示して亀裂が発生しにくくなり、剥離性が逆に悪くなる問題がある。
特開平４−２９３７２１号公報特開平１１−１７２３３２号公報特開平８−２９５９９２号公報特開平１０−３２４９２３号公報

本発明はこのような事情に着目してなされたものであって、その目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、メカニカルデスケーリング性（ＭＤ性）に優れた鋼線材およびその製造方法を提供しようとするものである。

本発明者らは、上記目的を達成するため、鋭意研究を行なった結果、本発明を完成するに至った。本発明によれば上記目的を達成することができる。

このようにして完成され上記目的を達成することができた本発明は、鋼線材に係わり、それは次のような構成としたものである。

即ち、本発明の鋼線材は、Ｃ：0.05 〜1.2 質量％、Si：0.01〜0.5質量％、Mn：0.1 〜1.5質量％を含有する鋼線材において、スケール付着量が0.1 〜0.7 質量％であり、スケール中にFeO を30 vol％以上、Fe₂SiO₄を0.01 〜10vol ％含有することを特徴とするメカニカルデスケーリング性に優れた鋼線材である。

本発明に係る鋼線材は、前記従来技術の有する問題点を解消することができ、メカニカルデスケーリング性（ＭＤ性）に優れた鋼線材であり、ＭＤによるスケール除去を良好に行うことができる。

本発明に係る鋼線材は、前述の如く、Ｃ：0.05 〜1.2 質量％、Si：0.01〜0.5質量％、Mn：0.1 〜1.5質量％を含有する鋼線材において、スケール付着量が0.1 〜0.7 質量％であり、スケール中にFeOを30 vol％以上、Fe₂SiO₄を0.01 〜10vol ％含有することを特徴とするメカニカルデスケーリング性（ＭＤ性）に優れた鋼線材であることとしている。

本発明に係る鋼線材は、上記のように鋼線材の成分、スケールの付着量およびスケールの組成を特定したものである。以下、その特定の理由等について、説明する。

（１）鋼線材の成分について
Ｃは鋼の機械的性質を決定する主要元素である。鋼線材の必要強度確保のためには、Ｃ量は少なくとも0.05質量％（重量％）含有する必要がある。一方、Ｃ量が過多になると線材製造時の熱間加工性が劣化するので、熱間加工性を考慮して上限を1.2 質量％とする。従って、Ｃ：0.05 〜1.2 質量％（以下、％ともいう）とする。

Siは鋼の脱酸のために必要な元素であり、その含有量が少なすぎる場合は、脱酸効果が不充分となるため、下限を0.01％とする。一方、Siは過剰に添加すると、Fe₂SiO₄(ファイアライト）の過剰生成によりＭＤ性が著しく劣化するほか、表面脱炭層の生成などの問題が生じるため、上限を0.50％とする。従って、Si：0.01〜0.50％とする。

Mnは鋼の焼入れ性を確保し、強度を高めるのに有用な元素である。このような作用を有効に発揮させるには0.1％以上添加することが必要であり、0.35％以上添加することが望ましい。ただし、過剰に添加すると、熱間圧延後の冷却過程で偏析を起こし、伸線加工性に有害なマルテンサイト等の過冷組織が発生しやすくなるため、1.5 ％以下にすることが必要であり、0.8 ％以下にすることが望ましい。従って、Mn：0.1 〜1.5 ％とする。好ましくはMn：0.35〜0.8 ％である。

なお、Ｃ、Si、Mn以外の成分は特には限定されず、残部は実質的にＦｅであるが、強度や疲労特性等の特性を更に向上させるために下記元素を添加することが望ましい。また、ＰやＳ、Ｎ、Al等の含有量を下記のように抑制することが望ましい。

〔Cu：0.01 〜0.2 ％〕
Cuは、疲労特性を向上させるとともに、スケールと鋼の界面に濃化し、スケールを剥離しやすくする効果がある。この作用効果を発揮させるために、Cuを0.01％以上添加することが推奨される。ただし、過剰に添加するとスケール剥離がひどくなって線材の搬送中にスケールが剥がれ、さび発生の原因となる上、鋼の延性を低下させるので、Cuは0.2％以下とすることが好ましい。

〔Cr：0.1 〜0.3 ％、Ni：0.1 〜0.3 ％〕
Cr，Niはいずれも焼き入れ性を高めて強度向上に寄与する元素である。本作用を発揮させるために、Crを0.1 ％以上、Niを0.1 ％以上添加するのが好ましい。ただし、過剰に添加すると、マルテンサイトが発生しやすくなる上、スケールの密着性が過剰に高まりすぎて、MDで取れにくくなるので、Cr：0.3 ％以下、Ni：0.3 ％以下とするのがよい。これらの元素は単独で添加しても、併用してもよい。

〔Nb，Ｖ，Ti，Hf，Zrの１種以上：合計で0.003 〜0.1 ％〕
Nb，Ｖ，Ti，Hf，Zrは、いずれも、微細な炭窒化物を析出して、高強度化に寄与する元素である。このような作用効果を有効に発揮させるために、Nb，Ｖ，Ti，Hf，Zrの１種以上：合計で0.003 ％以上添加するのが好ましい。ただし、過剰に添加すると、延性が劣化するため、Nb，Ｖ，Ti，Hf，Zrの１種以上：合計で0.1 ％以下とするのがよい。これらの元素は単独で添加しても、併用してもよい。

〔Ｐ含有量：0.02質量％以下（０質量％を含む）〕
Ｐは鋼の靭性・延性を劣化させる元素であり、伸線工程等における断線を防止するためにＰ量の上限を0.02％とすることが望ましい。従って、Ｐ含有量：0.02質量％以下（０質量％を含む）とすることが好ましい。より好ましくはＰ含有量：0.01％以下であり、更に好ましくはＰ含有量：0.005 ％以下である。

〔Ｓ含有量：0.02％以下（０質量％を含む）〕
ＳもＰと同様、鋼の靭性・延性を劣化させる元素であり、伸線やその後の撚り工程における断線を防止するためにＳ量の上限を0.02％とすることが望ましい。従って、Ｓ含有量：0.02％以下（０質量％を含む）とすることが好ましい。より好ましくはＳ含有量：0.01％以下、更に好ましくはＳ含有量：0.005 ％以下である。

〔Ｎ：0.01％以下〕
Ｎは線材の靭性、延性を劣化させるため、0.01％以下とすることが望ましい。

〔Al：0.05％以下、Mg：0.01％以下〕
Al，Mgは脱酸剤として有効であるが、過剰に添加するとAl₂O₃やMgO-Al₂O₃等の酸化物系介在物が多く発生して断線が多発することから、Al：0.05％以下、Mg：0.01％以下とすることが望ましい。

〔Ｂ：0.001 〜0.005 ％〕
Ｂは鋼中に固溶するフリーＢとして存在することにより、第２層フェライトの生成を抑制することで知られており、特に縦割れの抑制が必要な高強度線材を製造するにはＢの添加が有効である。このような作用効果を得るために、Ｂ：0.001 ％以上添加するのが好ましい。ただし、0.005 ％を超えて添加すると延性を劣化させるため、Ｂ：0.005 ％以下とするのがよい。

（２）スケールの付着量
ＭＤ性はスケールの付着量が多い方が良くなることはよく知られているが、付着量が多すぎてもスケールロスによる歩留まり低下のほか、スケール層をＭＤで均一に除去できずに一部が残って、伸線性に悪影響を与える。

本発明者らは、ＭＤ性を改善させる適正なスケール付着量を検討した結果、0.1 〜0.7 質量％が最適であることを見出した。0.1 質量％より少ない場合は、マグネタイト主体の剥離性の悪いスケールとなり、スケール剥離性が悪くなる。一方、0.7 質量％を超えると、スケールが取れすぎて、圧延中や運搬中に剥離し、錆発生の原因となり、また、スケールロスの観点からも好ましくない。従って、スケール付着量：0.1 〜0.7 質量％とする。

（３）スケールの組成
スケールは、上層より Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO 、Fe₂SiO₄の４層からなる構造をとる。スケール中のFeO 量とＭＤ性は明確な相関があり、FeO は Fe₂O₃、Fe₃O₄に比べると脆く、強度が低いため、FeO 比率が高いほどＭＤ性は改善され、FeO 比率が30 vol％以上であれば、良好なＭＤ特性が得られる。

Fe₂SiO₄の量が多すぎると、地鉄側に食い込んでＭＤ性を著しく劣化させる。Fe₂SiO₄量が適正な量であれば、Fe₂SiO₄自体が非常に脆いため、界面部のFe₂SiO₄層から亀裂が入ってスケール全体が界面より剥離（界面剥離）し、ＭＤ性が改善される。このFe₂SiO₄の適正量は、0.01 〜10 vol％である。Fe₂SiO₄量が0.01vol％より少ない場合は、Fe₂SiO₄層に亀裂が入り難く、スケールの界面剥離が起こりにくい。一方、10 vol％を超えると、地鉄内にFe₂SiO₄が楔状に食い込んでスケールが剥離しにくく、ＭＤ性が悪化する。

従って、FeO 量：30 vol％以上、Fe₂SiO₄：0.01 〜10 vol％とする。

本発明に係る鋼線材は、以上のような理由により、前述のように鋼線材の成分、スケールの付着量およびスケールの組成を特定している。従って、前記従来技術の有する問題点を解消することができ、メカニカルデスケーリング性（ＭＤ性）に優れた鋼線材であり、ＭＤによるスケール除去を良好に行うことができる。即ち、特開平4-293721号公報記載の方法や特開平11-172332 号公報記載の方法が有する問題点〔厚いスケール形成による歩留まり低下、ＭＤ前の時点でのスケール剥離（地鉄露出）による錆の発生、局部的残留スケールによる伸線工程での潤滑不良〕を解消し得ると共に、特開平8-295992号公報記載の方法が有する問題点〔鋼−スケール界面粗度調整の安定性欠如によるスケール除去処理の安定性欠如〕や特開平10-324923 号公報記載の方法が有する問題点〔スケール中への気孔の導入の安定性欠如、気孔の応力緩和作用によるスケール剥離性の低下〕を解消することができ、ＭＤ性に優れ、ＭＤによるスケール除去を良好に行うことができる。

本発明に係る鋼線材の製造方法については、上記のように鋼線材の成分、熱間圧延後の鋼線材の巻取り温度、巻取り後の鋼線材の酸化方法を特定した条件下で行えば良い。以下、その条件ならびに特定の理由等について、説明する。

ＭＤ性はスケールの付着量と明確な相関があり、スケールの付着量が多い方がＭＤ性は良くなり、残留スケール量が少なくなる。発明者らは、水蒸気を含有した湿潤雰囲気中で酸化させると酸化が促進され、ＭＤ性を改善させるに必要なスケール付着量（0.1〜0.7ｗｔ％）スケール組成が得られることを見出した。
本発明のスケール組成および付着量を得るには、熱間圧延を終了した鋼線材を750 〜850 ℃の温度で巻取りした後、水蒸気10〜40 vol％を添加した湿潤空気中で0.1〜60秒間、特に望ましくは2〜10秒間酸化させることによって得られる。

水蒸気酸化時間が0.1秒未満では、加速酸化効果が十分ではなく、ＭＤ性改善に必要なスケール付着量は得られない。時間が長すぎても、表面が酸化してFe₃O₄に変化し、FeOが減少するため、好ましくは60秒以下、より好ましくは30秒以下、さらに好ましくは10秒以下すれば良い。

鋼線材の成分を、Ｃ：0.05 〜1.2 質量％、Si：0.01〜0.50質量％、Mn：0.1 〜1.5 質量％を含有するものとしている理由は、本発明に係る鋼線材の場合と同様である。

従って、本発明に係る鋼線材の製造に当たっては、上記成分を含有する鋼片を熱間圧延して鋼線材に加工することを前提とし、そして熱間圧延を終えた該鋼線材を前述した条件の下に水蒸気酸化処理を行えばよいものである。

かかる製造法により、Ｃ：0.05 〜1.2 質量％、Si：0.01〜0.50質量％、Mn：0.1 〜1.5質量％を含有する鋼線材において、スケール付着量が0.1 〜0.7 質量％であり、スケール中にFeO を30 vol％以上、Fe₂SiO₄を0.01 〜10vol ％含有する鋼線材、即ち、本発明に係る鋼線材を得ることができる。

なお、本発明に係る鋼線材において、鋼線材のスケール付着量（質量％）とは、鋼線材の質量に対するスケール（鋼線材に付着しているスケール）の質量の割合（百分率）のことである。即ち、鋼線材の質量をＡｇとし、この鋼線材に付着しているスケールの質量をＢｇとし、この鋼線材のスケール付着量をＣ質量％（重量％）とすると、Ｃ＝100 ×Ｂ／Ａである。

スケール中のFeO 、Fe₂SiO₄の含有量（vol ％）とは、スケールの体積に対するFeO 、Fe₂SiO₄の体積の割合（百分率）のことである。即ち、鋼線材に付着しているスケールの体積をＤcm³とし、このスケールに含まれるFeO 、Fe₂SiO₄の体積を各々Ｅcm³、Ｆcm³とし、このFeO 、Fe₂SiO₄の含有量を各々Ｇ vol％、Ｈ vol％とすると、Ｇ＝100 ×Ｅ／Ｄであり、Ｈ＝100 ×Ｆ／Ｄである。

湿潤空気中の水蒸気量(vol％）は、鋼線材表面近傍の雰囲気中の水分量を測定することによって確認する。鋼材表面より50cm以内の高さ内の雰囲気ガスを採取して露点を測定することにより湿潤空気中の水分量（g/m³）を求め、気化水分量(vol％）に換算すると、湿潤雰囲気中の水蒸気量(vol％）が求められる。なお、水蒸気 10vol％は水分量で50g/m³（露点46℃）、水蒸気 40vol％は水分量で300g/m³(露点78℃）に相当する。

本発明の実施例および比較例について、以下説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加え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含まれる。

表１および表２に示す組成の鋼片（ビレット）を加熱炉で加熱し、次いで所定の線径の鋼線材に熱間圧延した後、この鋼線材を755 〜1010 ℃の温度でコイルに巻き取って床面上にループ状に載置した直後に湿潤空気中あるいは通常の空気中を走行させ、これら空気中に曝して酸化して鋼線材表面にスケールを形成させた。その後、コンベア（例えばステルモアコンベア）上に搬送して、所望の機械的特性が得られるよう、適宜適正な冷却条件で冷却させた。なお、この処理後の鋼線材はコイルに巻き取られた状態となっている。

上記処理後の鋼線材コイルの前端、中央部、後端より500mm 長さのサンプルを採取し、各々のサンプルより任意の３箇所をＸ線回折測定し、Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO 、Fe₂SiO₄のピーク強度比からそれぞれの比率を求めた。更に、これらより各コイル（各鋼線材）での全体の平均値を求め、これを各コイル（各鋼線材）でのスケール組成値とした。

更に、各鋼線材のスケール付着量、及び、メカニカルデスケーリング性を、次のようにして調べた。各鋼線材コイルの前端、中央部、後端より長さ 250mmのサンプルを採取し、この重量測定をして重量（後述のチャック間距離200mm 相当部の重量：W3）を求めた。次に、このサンプルをチャック間距離200mm としてクロスヘッドに取り付け、これに４％の引っ張り歪を与えた後、チャックから取り外した。次に、このサンプルに風を吹きかけて線材表面のスケールを吹き飛ばし、この後、 200mm長さに切断して重量測定して重量(W1)を求め、次に、このサンプルを塩酸中に浸漬して線材表面に付着しているスケールを完全に剥離させ、再度重量を測定して重量（W2）を求めた。この重量測定の値から下記式(1) により残留スケール量を求めた。また、下記式(2) により鋼線材のスケール付着量を求めた。なお、コイルの前端、中央部、後端での残留スケール量の平均値を残留スケール量として用いた。コイルの前端、中央部、後端でのスケール付着量の平均値をスケール付着量として用いた。
残留スケール量（質量％）＝100 ×（W1−W2）／W1-----式(1)
スケール付着量（質量％）＝100 ×（W3−W2）／W3-----式(2)
上記測定の結果を表３および表４に示す。残留スケール量は多いほどＭＤ性（メカニカルデスケーリング性）が悪く、残留スケール量が0.05質量％〔重量％（wt％）〕以下であるものを、ＭＤ性が良好と判定した。なお、表２の水蒸気濃度の欄において水蒸気濃度０、水蒸気酸化時間の欄において水蒸気酸化時間０のものは、湿潤空気中での酸化の処理をしなかったものである。

表３および表４からわかるように、表３のNo.2、6、8、9、11、13、15、18、18の1、20 、22および表４のNo.1、3、4、5、7、12（いずれも実施例）の場合は、鋼線材のスケール付着量が0.1 〜0.7 wt％であり、水蒸気添加をしていない表３のNo.2、13、28および表４のNo.2（いずれも比較例）と比べると、加速酸化されてスケールの付着量が増大し、しかもスケールの構造もFeO 、Fe₂SiO₄の比率が増えて適正範囲内（FeO ：30 vol％以上、Fe₂SiO₄：0.01 〜10 vol％）にあるため、残留スケールが0.05wt％以下と少なく、ＭＤ性が良好である。

水蒸気を添加した場合でも、水蒸気濃度が少ない場合〔表３のNo.5および表４のNo.11（比較例）〕や、水蒸気酸化時間が短い場合〔No.4（比較例）〕には、加速酸化が不十分で、ＭＤ性が悪い。

また、水蒸気濃度が高すぎる場合〔表３のNo.7, 17, 21および表４のNo.6（比較例）〕は、過剰にスケールが生成するため、ＭＤ性は良好であるが、ＭＤをしなくてもＭＤ前の時点（圧延時や運搬中など）にスケールが剥がれ、錆が発生するなどの問題がある。

一方、水蒸気酸化時間が長すぎる場合〔表３のNo.3, 14,14の１、 24（比較例）〕は、スケール付着量は適正範囲内（0.1〜0.7 質量％）にあるが、長時間酸化されるためにFeO がFe₃O₄に変化して、FeO比率が減り、また、Fe₂SiO₄比率が大きくなりすぎ、良好なＭＤ特性が得られない。

また、巻取り温度が高い場合〔表３のNo.10, 16, 23 および表４のNo.9（比較例）〕は、過剰にスケールが成長してスケールが圧延中（鋼線材への熱間圧延中）に剥離し、ＭＤ後の残留スケール量は少ないが、剥離面に錆が発生する。

本発明に係る鋼線材は、前記従来技術の有する問題点を解消することができ、ＭＤ性に優れた鋼線材であり、ＭＤによるスケール除去を良好に行うことができるので、鋼線製造用の鋼線材（素線材）として好適に用いることができて有用である。

Claims

Ｃ：0.05 〜1.2 質量％、Si：0.01〜0.5質量％、Mn：0.1 〜1.5質量％を含有する鋼線材において、スケール付着量が0.1 〜0.7 質量％であり、スケール中にFeO を30 vol％以上、Fe₂SiO₄を0.01 〜10vol ％含有することを特徴とするメカニカルデスケーリング性に優れた鋼線材。