JP2007131944A - 伸線特性に優れた高強度線材およびその製造方法 - Google Patents

伸線特性に優れた高強度線材およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 伸線加工性に優れた線材を得て、それを素材とする鋼線を高い生産性の下に歩留り良く廉価に提供する。
【解決手段】 成分の特定された硬鋼線材を、熱間圧延後、特定の温度域で巻き取った後に所定の冷速でパテンティング処理することにより、加工性に優れた高炭素鋼線を得る。パーライト組織の面積率が９７％以上、残部がベイナイト、擬似パーライト、初析フェライトからなる非パーライト組織であり、パーライトブロック粒径が２０μｍ以上４５μｍ以下であることを特徴とする、生引き性に優れた高強度鋼線材である。また、中間パテンティングおよび冷間伸線を施すことによって製造する、引張り強さが２８００ＭＰａ以上であることを特徴とする延性に優れた高炭素鋼線である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、鋼線材、鋼線及びそれらの製造方法に関する。より詳しくは、例えば、自動車のラジアルタイヤや、各種産業用ベルトやホースの補強材として用いられるスチールコード、更には、ソーイングワイヤなどの用途に好適な圧延線材とその製造方法、および前記の圧延線材を素材とする鋼線に関する。
自動車のラジアルタイヤや、各種のベルト、ホースの補強材として用いられるスチールコード用鋼線、あるいは、ソーイングワイヤ用の鋼線は、一般に、熱間圧延後調整冷却した線径（直径）が４〜６ｍｍの鋼線材を、１次伸線加工して直径を３〜４ｍｍにし、次いで、中間パテンティング処理を行い、更に２次伸線加工して１〜２ｍｍの直径にする。この後、最終パテンティング処理を行い、次いで、ブラスメッキを施し、更に最終湿式伸線加工を施して直径０．１５〜０．４０ｍｍにする。このようにして得られた極細鋼線を、更に撚り加工で複数本撚り合わせて撚鋼線とすることでスチールコードが製造される。
近年、製造コスト低減の目的から、上記の中間パテンティングを省略し、調整冷却した圧延線材から、最終パテンティング線径である１〜２ｍｍまでダイレクトに伸線する例が多くなってきた。このため、調整冷却した圧延線材に対して、圧延線材からのダイレクト伸線特性、いわゆる生引き性が要求されるようになり、線材の高延性および高加工性対する要求が極めて大きくなっている。
パテンティング線材の延性を示す指標の一つである絞り値は、オーステナイト粒径に依存し、オーステナイト粒径を微細化することによって絞り値が向上することから、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｂ等の炭化物や窒化物をピニング粒子として用いることによってオーステナイト粒径を微細化する試みもなされている。特許文献１には、成分元素としてＮｂ：０．０１〜０．１重量％、Ｚｒ：０．０５〜０．１重量％、Ｍｏ：０．０２〜０．５重量％よりなる群から１種以上を含有させて極細鋼線の靱延性を一層高める技術が開示されている。特許文献２でも、ＮｂＣによるオーステナイト粒径の微細化が提案されている。しかしこれら添加元素は高価なためコスト増を招くこと、Ｎｂは粗大な炭化物、窒化物を、Ｔｉは粗大な酸化物を形成するため細い線径、例えば、直径０．４０ｍｍ以下の線径にまで伸線すると、断線する場合があった。また、本発明者らによる検証によれば、ＢＮのピニングにでは、絞り値に影響を及ぼすほどオーステナイト粒径を微細化することは難しい。
さらに、特許文献３のように、パテンティング温度を低下させることにより線材の組織をベイナイトに調整することによって高炭素線材の伸線加工性を高める技術も提案されている。しかし、インラインで圧延線材をベイナイト化するためには溶融ソルト等に浸漬する必要があり高コストを招く虞があると同時に、メカニカルデスケーリング性を低下させる虞がある。
特許第２６０９３８７号公報 特開２００１−１３１６９７号公報 特開平８−３６３９号公報
本発明は、上記現状に鑑みなされたもので、その目的は、スチールコードやソーイングワイヤなどの用途に好適な生引き性に優れた高強度線材を高い生産性の下に歩留りよく廉価に提供することである。
上記課題を解決することのできた本発明に係る製造方法の構成は、下記（１）に示す鋼線、（２）から（３）に示す鋼線用鋼材、（４）に示す線材の製造方法、及び（５）に示す高強度鋼線の製造方法にある。
（１）パーライト組織の面積率が９７％以上、残部がベイナイト、擬似パーライト、初析フェライトからなる非パーライト組織であり、パーライトブロック粒径が２０μｍ以上４５μｍ以下であることを特徴とする、生引き性に優れた高強度鋼線材。
（２）質量％で、Ｃ：０．７０〜１．１０％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ａｌ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０１％以下、Ｎ：１０〜６０質量ｐｐｍ、Ｂ：（０．７７×Ｎ（ｐｐｍ）−１７．４）質量ｐｐｍ、もしくは５質量ｐｐｍのいずれか高い量以上、５２質量ｐｐｍ以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする（１）に記載の高強度鋼線材。
（３）更にＣｒ：０．５％以下（０％を含まない），Ｎｉ：０．５％以下（０％を含まない），Ｃｏ：０．５％以下（０％を含まない），Ｖ ：０．５％以下（０％を含まない），Ｃｕ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｗ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、よりなる群から選択される少なくとも１種以上を含有することを特徴とする（２）に記載の高強度鋼線材。
（４）（２）乃至（３）に記載の化学組成を有する鋼片を、熱間圧延後、次に示す温度Ｔｍｉｎ〜９５０℃の温度域にて巻き取りした後、８００から６００℃までの冷速が５℃／ｓ以上であるような冷却方法にてパテンティング処理を行うことを特徴とする、（１）乃至（３）に記載の高強度鋼線材の製造方法。
Ｂ（ｐｐｍ）−０．７７×Ｎ（ｐｐｍ）＞０．０の場合は、Ｔｍｉｎは８００℃、
Ｂ（ｐｐｍ）−０．７７×Ｎ（ｐｐｍ）≦０．０の場合は、Ｔｍｉｎは、
Ｔｍｉｎ＝９５０＋１４５０／（Ｂ（ｐｐｍ）−０．７７×Ｎ（ｐｐｍ）―１０）
（５）（１）乃至（３）に記載の鋼線材を、中間パテンティングおよび冷間伸線を施すことによって製造する、引張り強さが２８００ＭＰａ以上であることを特徴とする延性に優れた高炭素鋼線。
本発明者らは、線材の化学組成と機械的性質が伸線加工性に及ぼす影響について調査・研究を重ね、その結果、下記の知見を得た。
（ａ）引張強さを高めるためには、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒなどの合金元素の含有量を増やせばよいが、これら合金元素の含有量の増加は伸線加工性の低下、つまり、伸線加工時の限界加工度の低下を招くため、断線する頻度が増加する。
（ｂ）伸線加工性は、伸線加工前、つまり熱処理後の引張り強さと破断絞り値とよい相関を示し、絞り値が引張り強さに応じたある一定値以上の場合に極めて良好な伸線加工性が得られる。
（ｃ）ＢはＮと化合物を形成し、固溶Ｂ量はトータルのＢ量、Ｎ量およびパーライト変態前の加熱温度によって決定される。固溶Ｂはオーステナイト粒界に偏析し、パテンティング処理に際するオーステナイト温度からの冷却中に、オーステナイト粒界から発生するベイナイト、フェライト、擬似パーライト等の、ミクロ組織が粗く低強度な組織、特にベイナイトの発生を抑制する。これら非パーライト組織の内、伸線性に最も悪影響を及ぼす組織はベイナイトである。非パーライト組織の内、ベイナイトが占める割合は、６０％以上である。固溶Ｂが少ないと上記効果は小さく、過剰であるとパーライト変態に先立ち、粗大なＦｅ23（ＣＢ）6が析出し、伸線加工性が低下する。
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。
以下、本発明の各要件について詳しく説明する。
線材の組織および機械的性質：
本発明者らの検討によれば、パテンティング線材の生引き性は、初析フェライト、擬似パーライト、ベイナイトといった非パーライト組織の量と相関があり、これら非パーライト組織の体積率を３％未満に抑制することができれば、伸線時における早期の亀裂発生が抑制され、生引き性が向上する。非パーライト組織の低減にはＢ添加と、熱間圧延後の巻き取り温度を、次に示す温度Ｔｍｉｎ以上の温度域にて巻き取りした後、８００から６００℃までの冷速が５℃／ｓ以上であるような冷却方法にてパテンティング処理を行うことが有効であることを見出した。
Ｂ（ｐｐｍ）−０．７７×Ｎ（ｐｐｍ）＞０．０の場合は、Ｔｍｉｎは８００℃、
Ｂ（ｐｐｍ）−０．７７×Ｎ（ｐｐｍ）≦０．０の場合は、Ｔｍｉｎは、
Ｔｍｉｎ＝９５０＋１４５０／（Ｂ（ｐｐｍ）−０．７７×Ｎ（ｐｐｍ）―１０）
これにより、非パーライト体積率が３％未満で生引き性に優れた高強度線材を得ることができる。なお、パーライトブロック粒径はオーステナイト粒径とパーライト変態温度（連続冷却の場合は冷速）に依存するが、圧延線材の場合、オーステナイト粒径の極端な粗大化は生じにくく、変態温度の影響が大きい。したがってパーライトブロックが粗大化しているということは変態温度が高い（冷速が小さい）ということを意味している。オーステナイト粒が粗大化すると、例えＢ添加をしていても、粗大な非パーライト組織が生成するため、生引き性が劣化する。また、変態温度が高過ぎても、パーライト変態に先立ちオーステナイト粒界に粗大なＢ炭化物生成し、生引き性が劣化する。一方、変態温度が低すぎる（冷速が多き過ぎる）と、ＴＳが高くなりすぎ、生引き性が劣化する。検討の結果、パーライトブロック粒径が２０μｍ以上４５μｍ以下であれば上記の非パーライト組織および粗大なＢ炭化物の生成が抑制されるとともに、ＴＳも適正な値となり、生引き性の劣化を抑制できることを見出した。なお、巻き取り温度はデスケーリング性の観点から、９５０℃以下であることが望ましい。
成分組成：
Ｃ：Ｃは、線材の強度を高めるのに有効な元素であり、その含有量が０．７０％未満の場合には２８００ＭＰａ以上の高い強度を安定して最終製品に付与させることが困難であると同時に、オーステナイト粒界に初析フェライトの析出が促進され、均一なパーライト組織を得ることが困難となる。一方、Ｃの含有量が多すぎるとオーステナイト粒界にネット状の初析セメンタイトが生成して伸線加工時に断線が発生しやすくなるだけでなく、最終伸線後における極細線材の靱性・延性を著しく劣化させる。したがって、Ｃの含有量を０．７０〜１．１０質量％とした。
Ｓｉ：Ｓｉは強度を高めるのに有効な元素である。更に脱酸剤として有用な元素であり、Ａｌを含有しない鋼線材を対象とする際にも必要な元素である。０．１質量％未満では脱酸作用が過少である。−方、Ｓｉ量が多すぎると過共析鋼においても初析フェライトの析出を促進するとともに、伸線加工での限界加工度が低下する。更にメカニカルデスケーリング（以下、ＭＤと略記する。）による伸線工程が困難になる。したがって、Ｓｉの含有量を０．１〜１．５質量％とした。
Ｍｎ：ＭｎもＳｉと同様、脱酸剤として有用な元素である。また、焼き入れ性を向上させ、線材の強度を高めるのにも有効である。更にＭｎは、鋼中のＳをＭｎＳとして固定して熱間脆性を防止する作用を有する。その含有量が０．１質量％未満では前記の効果が得難い。一方、Ｍｎは偏析しやすい元素であり、１．０質量％を超えると特に線材の中心部に偏析し、その偏析部にはマルテンサイトやベイナイトが生成するので、伸線加工性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量を０．１〜１．０質量％とした。
Ａｌ：０．０１％以下：Ａｌの含有量は、硬質非変形のアルミナ系非金属介在物が生成して鋼線の延性劣化と伸線性劣化を招かないように０％を含む０．０１％以下と規定した。
Ｔｉ：０．０１％以下：Ｔｉの含有量は、硬質非変形の酸化物が生成して鋼線の延性劣化と伸線性劣化を招かないように０％を含む０．０１％以下と規定した。
Ｎ：１０〜６０ｐｐｍ：Ｎは、鋼中でＢと窒化物を生成し、加熱時におけるオーステナイト粒度の粗大化を防止する作用があり、その効果は１０ｐｐｍ以上含有させることによって有効に発揮される。しかし、含有量が多くなり過ぎると、窒化物量が増大し過ぎて、オーステナイト中の固溶Ｂ量を低下させる。さらに固溶Ｎが伸線中の時効を促進する恐れが生じてくるので、上限を６０ｐｐｍとする。
Ｂ：５または（０．７７×Ｎ（ｐｐｍ）−１７．４）〜５０ｐｐｍ：Ｂは固溶状態でオーステナイト中に存在する場合、粒界に濃化してフェライト、擬似パーライト、ベイナイト等の非パーライト析出の生成を抑制する。一方、Ｂを添加しすぎるとオーステナイト中において粗大なＦｅ3（ＣＢ）6炭化物の析出を促進し、伸線性に悪影響を及ぼす。したがってＢの含有量の下限値を５または（０．７７×Ｎ（ｐｐｍ）−１７．４）のいずれか大きい値、上限値を５０質量ｐｐｍとした。
なお、不純物であるＰとＳは特に規定しないが、従来の極細鋼線と同様に延性を確保する観点から、各々０．０２％以下とすることが望ましい。
本発明に用いられる鋼線材は上記元素を基本成分とするものであるが、更に強度、靭性、延性等の機械的特性の向上を目的として、以下の様な選択的許容添加元素を１種または２種以上、積極的に含有してもよい。
Ｃｒ：０．５％以下，Ｎｉ：０．５％以下，Ｃｏ：０．５％以下，Ｖ ：０．５％以下，Ｃｕ：０．２％以下、Ｍｏ：０．２％以下、Ｗ：０．２％以下、Ｎｂ：０．１％以下（いずれも０％を含まない） 。以下、各元素について説明する。
Ｃｒ：０．５％以下 Ｃｒはパーライトのラメラ間隔を微細化し、線材の強度や伸線加工性等を向上させるのに有効な元素である。この様な作用を有効に発揮させるには０．１％以上の添加が好ましい。 一方、Ｃｒ量が多過ぎると変態終了時間が長くなり、熱間圧延線材中にマルテンサイトやベイナイトなどの過冷組織が生じる恐れがあるほか、メカニカルでスケーリング性も悪くなるので、その上限を０．５％とした。
Ｎｉ：０．５％以下 Ｎｉは線材の強度上昇にはあまり寄与しないが、伸線材の靭性を高める元素である。この様な、作用を有効に発揮させるには０．１％以上の添加が好ましい。 一方、Ｎｉを過剰に添加すると変態終了時間が長くなるので、上限値を０．５％とした。
Ｃｏ：１％以下 Ｃｏは、圧延材における初析セメンタイトの析出を抑制するのに有効な元素である。この様な作用を有効に発揮させるには０．１％以上の添加が好ましい。一方、Ｃｏを過剰に添加してもその効果は飽和して経済的に無駄であるので、その上限値を０．５％とした。
Ｖ：０．５％以下 Ｖはフェライト中に微細な炭窒化物を形成することにより、加熱時のオーステナイト粒の粗大化を防止し、延性を向上させるとともに、圧延後の強度上昇にも寄与する。この様な作用を有効に発揮させるには０．０５％以上の添加が好ましい。しかし、過剰に添加し過ぎると、炭窒化物の形成量が多くなり過ぎると共に、炭窒化物の粒子径も大きくなるため上限を０．５％とした。
Ｃｕ：０．２％以下 Ｃｕは、極細鋼線の耐食性を高める効果がある。この様な作用を有効に発揮させるには０．１％以上の添加が好ましい。しかし過剰に添加すると、Ｓと反応して粒界中にＣｕＳを偏析するため、線材製造過程で鋼塊や線材などに疵を発生させる。この様な悪影響を防止するために、その上限を０．２％とした。
Ｍｏ：Ｍｏは、極細鋼線の耐食性を高める効果がある。この様な作用を有効に発揮させるには０．１％以上の添加が好ましい。一方、Ｍｏを過剰に添加すると変態終了時間が長くなるので、上限値を０．２％とした。
Ｗ：Ｗは、極細鋼線の耐食性を高める効果がある。この様な作用を有効に発揮させるには０．１％以上の添加が好ましい。一方、Ｗを過剰に添加すると変態終了時間が長くなるので、上限値を０．２％とした。
Ｎｂ：Ｎｂは、極細鋼線の耐食性を高める効果がある。この様な作用を有効に発揮させるには０．０５％以上の添加が好ましい。一方、Ｗを過剰に添加すると変態終了時間が長くなるので、上限値を０．１％とした。
伸線条件：
請求項１に記載の鋼線材に冷間伸線を施すことにより、引張り強さが２８００ＭＰａ以上であることを特徴とする延性に優れた高強度鋼線を得ることができる。冷間伸線の真ひずみは３以上、望ましくは３．５以上である。
次に実施例を挙げて本発明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勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
表１に示す化学成分の鋼のビレットを加熱後、熱間圧延により直径４〜６ｍｍの線材とし、所定の温度にて巻き取り後、ステルモア処理によって、パテンティング処理を施した。
非パーライト体積率の測定のため、圧延線材のＬ断面を樹脂埋め込み後、アルミナ研磨し、飽和ピクラールにて腐食し、ＳＥＭ観察を実施した。ＳＥＭの観察領域は表層、１／４Ｄ、１／２Ｄ（Ｄは線径）部とし、各領域にて、倍率３０００にて５０×４０μｍの面積の写真を任意に１０枚撮影し、セメンタイトが粒状に分散した擬似パーライト部、板状セメンタイトが周囲より３倍以上の粗いラメラ間隔で分散しているベイナイト部、オーステナイトに沿って析出した初析フェライト部の面積率を、画像解析により測定した値を、非パーライト体積率とした。
パーライトブロック粒径は、線材のＬ断面を、樹脂に埋め込み後切断研磨し、ＥＢＳＰ解析により方位差９°の界面で囲まれた領域を一つのブロック粒として解析し、その平均体積から求めた平均粒径とした。
パテンティング線材の生引き性は、スケールを酸洗にて除去した後、ボンデ処理によりリン酸亜鉛皮膜を付与した長さ４ｍの線材を１０本用意し、アプローチ各２５度のダイスを使用して、１パス当たりの減面率１６〜２０％の単頭式伸線を行い、伸線破断する限界の線径および真ひずみの平均値を求めた。
Figure 2007131944
Figure 2007131944
表１に評価材の化学組成、表２に試験条件、オーステナイト粒径および機械的性質を示す。
表１、２において、１〜１１、Ａ〜Ｄは本発明鋼、１２から２１は比較鋼である。
１２、１８は巻き取り温度が低いため、パテンティング処理前にＢの窒化物および炭化物が析出し、固溶Ｂ量を確保できなかったため、絞り値が低かった例である。１３および１９〜２１はＢ量が低いあるいは無添加のため、絞り値が低かった例である。１４はＢ量が過剰であり、多量のＢ炭化物および初析セメンタイトがオーステナイト粒界に析出してしまい、絞り値が低かった例である。１５はＳｉ量が過剰で、初析フェライト析出を抑制できなかった例である。１６はＣ量が過剰で、初析セメンタイト析出を抑制できなかった例である。１７はＭｎ量が過剰で、ミクロマルテンサイトの生成を抑制できなかった例である。２１はパテンティング時の冷速が高すぎ、Ｃ量の割にＴＳが高すぎ、延性が劣化した例である。冷速が高かったためにブロック粒径は微細化している。２２はパテンティング処理時の冷速が小さく、ブロック粒径が粗大化し延性が劣化した例である。
図１に本発明鋼と比較鋼の非パーライト面積率と、伸線により破断する真ひずみの平均値の関係を示す。本発明鋼は破断の平均真ひずみが高く、良好な生引き性を示す。しかし、伸線限界はＴＳにも依存するので、図２にＴＳと伸線により破断する平均真ひずみの関係を示す。同一のＴＳで比較しても、本発明鋼は平均真ひずみが高く、良好な生引き性を示すことが分かる。図３に本発明の範囲内の化学成分、加熱条件を満たす鋼線材の内、ＴＳが１０００〜１３００ＭＰａの範囲の実施例に関する、パーライトブロック粒径と伸線により破断する平均真ひずみの関係を示す。パーライトブロックサイズが２０μｍ以上４５μｍ以下の範囲であれば、高い生引き性を示す。
図１〜３において、◆は本発明鋼、□は比較鋼を示す。
非パーライト面積率と、伸線により破断する平均真ひずみの関係を示す。 ＴＳと伸線により破断する平均真ひずみの関係を示す。 パーライトブロック粒径と伸線により破断する平均真ひずみの関係を示す。

Claims (5)

  1. パーライト組織の面積率が９７％以上、残部がベイナイト、擬似パーライト、初析フェライトからなる非パーライト組織であり、パーライトブロック粒径が２０μｍ以上４５μｍ以下であることを特徴とする、生引き性に優れた高強度鋼線材。
  2. 質量％で、Ｃ：０．７０〜１．１０％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ａｌ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．０１％以下、Ｎ：１０〜６０質量ｐｐｍ、Ｂ：（０．７７×Ｎ（ｐｐｍ）−１７．４）質量ｐｐｍ、もしくは５質量ｐｐｍのいずれか高い量以上、５２質量ｐｐｍ以下を含有し、残部はＦｅ及び不純物からなることを特徴とする請求項１に記載の高強度鋼線材。
  3. 更にＣｒ：０．５％以下（０％を含まない），Ｎｉ：０．５％以下（０％を含まない），Ｃｏ：０．５％以下（０％を含まない），Ｖ ：０．５％以下（０％を含まない），Ｃｕ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｍｏ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｗ：０．２％以下（０％を含まない）、Ｎｂ：０．１％以下（０％を含まない）、よりなる群から選択される少なくとも１種以上を含有することを特徴とする請求項２に記載の高強度鋼線材。
  4. 鋼片を、熱間圧延後、次に示す温度Ｔｍｉｎ〜９５０℃の温度域にて巻き取りした後、８００から６００℃までの冷速が５℃／ｓ以上であるような冷却方法にてパテンティング処理を行うことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の高強度鋼線材の製造方法。
    Ｂ（ｐｐｍ）−０．７７×Ｎ（ｐｐｍ）＞０．０の場合は、Ｔｍｉｎは８００℃、
    Ｂ（ｐｐｍ）−０．７７×Ｎ（ｐｐｍ）≦０．０の場合は、Ｔｍｉｎは、
    Ｔｍｉｎ＝９５０＋１４５０／（Ｂ（ｐｐｍ）−０．７７×Ｎ（ｐｐｍ）―１０）
  5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の鋼線材を、中間パテンティングおよび冷間伸線を施すことによって製造する、引張り強さが２８００ＭＰａ以上であることを特徴とする延性に優れた高炭素鋼線。
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