JP2007167878A

JP2007167878A - 高炭素鋼線の製造方法

Info

Publication number: JP2007167878A
Application number: JP2005366724A
Authority: JP
Inventors: Tomotada Maruo; 知忠丸尾
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】乾式伸線加工により高炭素鋼線を製造する際に、簡易かつ確実にダイスへの焼付きを防止しつつ、高品質の高炭素鋼線を製造しうる方法を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０．６〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下を含有する高炭素鋼線材Ａを、ダイス４とその後段に冷却ブロック５とを備えたパスを複数パス連続的に通過させて伸線加工を行う際に、下記式を満足するように、ダイス４の総数、各ダイス４の減面率の組合せおよび伸線速度のうち少なくとも１つを調整する。
式Ｐ＝{Σ（Ｔ_ｋ×ｒ_ｋ）}／ｎ≦２０．４
（式中、Ｔ_ｋはｋ段目の冷却ブロック５側面の下部を放射温度計６で測定した温度[℃]、ｒ_ｋはｋ段目のダイス４の減面率[％／１００]、ｎはダイス５の総数、Σは全段の総和を示す。）
【選択図】図１

Description

本発明は、スチールコード、ビードワイヤなどの素線である高炭素鋼線の製造方法に関し、より詳しくは、ダイス寿命が長く、鋼線表面の品質に優れ、高抗張力を有する高炭素鋼の製造方法に関する。

高強度鋼線は、熱間圧延によって製造された高炭素鋼線材を所望の線径に伸線加工することによって製造される。例えば、タイヤ用補強材として使用されるスチールコード、ビードワイヤなどの素線である高強度鋼線は、高炭素鋼線材を酸洗またはメカニカルデスケラによってスケールを除去した後に、リン酸亜鉛皮膜、ボラックス皮膜などの皮膜処理を施し、乾式潤滑剤を塗布しつつ、複数のダイスと各ダイスの後段にそれぞれ設けられた冷却ブロックを連続的に通過させて細線まで乾式伸線加工することによって製造される。ところが、通常所望の線径まで伸線加工するのに総減面率が９０％以上に達するため、伸線途中にダイスへの焼付きが発生して線細りやダイス磨耗が顕著に生じたり、ひどい場合には断線を引き起こして生産性が著しく低下したりする可能性がある。

そこで、従来、高炭素鋼線材を乾式で伸線加工して鋼線を製造するのに、例えば線径５．５ｍｍの高炭素鋼線材を一旦線径２〜３ｍｍの鋼線まで伸線加工した後に、パテンティング処理を施し、その後さらに所望の線径である例えば０．９５ｍｍまで伸線加工する方法が採用されていた。

近年、生産性向上およびコスト削減を目的にこの伸線途中のパテンティング処理を省略しても所望の線径まで一度に伸線しうる高炭素鋼線材が開発されつつある。例えば、本出願人は、パーライト中のラメラ間隔をある程度広くするとともに、パーライトのノジュールを微細化することで線材の強度を下げ、絞りを確保することによって伸線性に優れた高炭素鋼線材を開発した（特許文献１参照）。

しかしながら、上記のような伸線限界を向上させた高炭素鋼線材を用いても、パテンティング処理を省略すると、加工ひずみの影響が残留するため、パススケジュール（ダイス総数および各ダイスの減面率の組合せ）、伸線速度など加工条件が適切でなければ伸線中のダイスへの焼付きや断線を完全に防止することができない。

一方、湿式伸線加工に際して予め１ダイス当たりの減面率を各パスの伸線加工ひずみの大きさに応じて小まめに規定しておくことによって高強度の高炭素鋼線を製造する方法が開示されている（特許文献２，３参照）。

しかしながら、これらの方法は潤滑油中に浸漬した状態で伸線加工を行うものであり、乾式伸線加工にそのまま適用できるものではない。

また、Ａｌ_２Ｏ_３など硬質の非金属介在物を表層に存在させた高炭素鋼線材を用いて乾式伸線加工することによって、ダイスへの焼付きを自動的に研磨除去するようにした高炭素鋼線の製造方法が開示されている（特許文献４参照）。

しかしながら、Ａｌ_２Ｏ_３などの非金属介在物の存在は鋼線の品質を劣化させ、かえって断線の原因となるため、鋼材へのＡｌ_２Ｏ_３添加量の調整が難しく、実現性に乏しい。
特許第３６８１７１２号公報特開平７−３０５２８５号公報特開平９−９９３１２号公報特開平１０−３０５３０８号公報

そこで本発明は、乾式伸線加工により高炭素鋼線を製造する際に、簡易かつ確実にダイスへの焼付きを防止しつつ、高品質の高炭素鋼線を製造しうる方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、質量％で、Ｃ：０．６〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下を含有する高炭素鋼線材を、スケール除去した後に、皮膜処理を施し、次いで、ダイスとその後段に冷却ブロックとを備えたパスを複数パス連続的に通過させて乾式伸線加工を行うことによって高炭素鋼線を製造する方法であって、下記式を満足するように、パス総数、各パスのダイスの減面率の組合せおよび伸線速度のうち少なくとも１つを調整することを特徴とする高炭素鋼線の製造方法。
式Ｐ＝{Σ（Ｔ_ｋ×ｒ_ｋ）}／ｎ≦２０．４
（式中、Ｔ_ｋはｋパス目のダイス通過直後の鋼線の温度[℃]、ｒ_ｋはｋパス目のダイスの減面率[％／１００]、ｎはパス総数、Σは全パスの総和を示す。）

請求項２に記載の発明は、各ダイス通過直後の鋼線の温度は、各ダイス後段の冷却ブロックに巻き取られた直後の鋼線の表面温度とする請求項１に記載の高炭素鋼線の製造方法である。

本発明によれば、ダイス通過直後の線材の温度を測定するだけで、伸線中の加工発熱による鋼線温度の上昇が効果的に抑制され、鋼線の脆化が防止されるので、簡易かつ確実にダイスへの焼付きを防止しつつ、高強度かつ高延性の高炭素鋼線を得ることができる。

図１に本発明に係る高炭素鋼線の製造方法を適用する伸線機の一例としてストレート型乾式連続伸線機の概略構成を示す。図において、Ａは伸線加工を行う線材、１は線材Ａのスケールを機械的に除去するためのメカニカルデスケラ、２は線材Ａに被膜処理を施すための被膜処理装置、３は線材Ａに潤滑剤を塗布するための潤滑剤塗布装置、４は線材Ａを伸線して鋼線Ｂとするためのダイス、５はダイス４通過後の鋼線Ｂを巻き付けて冷却するための冷却ブロックである。なお、本伸線機は、潤滑剤塗布装置３とダイス４と冷却ブロック５との組合せを１パスとして、複数パス直列に連結したものである。また、６は冷却ブロック５に巻き取られた直後の鋼線Ｂの表面温度を測定するための放射温度計である。

本発明に係る高炭素鋼線の製造方法に用いる線材Ａの成分組成は、質量％で、Ｃ：０．６〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下を含有するものとする。以下、成分限定理由を説明する。

Ｃ：０．６〜１．１％
Ｃは強度を確保するための基本元素である。しかし、０．６％未満ではパーライト主体の組織にならず、初析フェライトの硬化が主として生じるため強度が低下する。一方、１．０％超では初析セメンタイトが生成するため、伸線性が低下する。

Ｓｉ：０．１〜１．５％
Ｓｉは脱酸作用と固溶強化により強度を高める作用を有する。しかし、０．１％未満になるとこれらの効果が得られない。一方１．５％を超えるとフェライトを固溶し過ぎて加工性が低下する。

Ｍｎ：０．３〜１．０％
Ｍｎは脱酸作用と固溶強化による強度向上作用を有する。しかし、０．３％未満になるとこれらの作用が得られない。一方１．０％超ではフェライトを固溶しすぎて加工性が低下するとともに、偏析が生じ易い元素であるため、偏析により組織が不均−となり、伸線性も低下する。

Ｐ：０．０２％以下
Ｐは不純物元素であり、少ないほど好ましい。特にフェライトを固溶強化するため、伸線性の劣化への影響が大きいので、本発明では０．０２％以下とした。

Ｓ：０．０３％以下
Ｓも不純物元素であり、介在物であるＭｎＳを生成して伸線性を低下させるため、０．０３％以下とした。

本発明に用いる線材Ａは、典型的には上記成分および残部Ｆｅを本質的成分とし、その他不可避的不純物からなるが、上記本質的成分の作用、効果を損なわない範囲で他の成分を添加してもよく、さらに線材の特性をより向上させる元素を添加してもよい。

次に、上記成分組成を有する線材Ａを上記ストレート型連続伸線機にて伸線を行う工程について、線材Ａ（鋼線Ｂ）の流れに沿って説明する。

線材Ａは、メカニカルデスケラ１でスケールを除去されたのち、後記乾式潤滑剤の付着量を増加させるため被膜処理装置２にてボラックス等の皮膜処理が施される。そして、１パス目の潤滑剤塗布装置３に導入され、表面に乾式潤滑剤が塗布され、直ちにダイス４を通過し伸線加工されて鋼線Ｂとなる。この鋼線Ｂは、この伸線加工による発熱により加熱され、脆化しやすくなっているので、次のパス（２パス目）のダイス４で伸線加工される前に冷却しておく必要があるため、水冷構造の冷却ブロック５にその下部から上部に順次巻きつけられ、所定温度まで冷却される。そして、十分に冷却された鋼線Ｂは、次のパス（２パス目）の潤滑剤塗布装置３に導入され、同様の伸線加工が施される。このようにして、線材Ａ（鋼線Ｂ）が所定のパス数通過することによって、順次減径されて所望の線径の高炭素鋼線が得られる。

ここで、本発明は、各ダイス４通過直後の鋼線Ｂの温度を測定し、この温度測定値と各ダイス４の減面率とを用いて、下記式（１）によりＰ値を求め、このＰ値が２０．４以下となるように、ダイス総数、各ダイスの減面率の組合せおよび伸線速度のうち少なくとも１つを調整することを特徴とする。

Ｐ＝{Σ（Ｔ_ｋ×ｒ_ｋ）}／ｎ …式（１）
（式中、Ｔ_ｋはｋパス目のダイス４通過直後の鋼線Ｂの温度[℃]、ｒ_ｋはｋパス目のダイス４の減面率[％]、ｎはパス総数、Σは全パスの総和を示す。）

上記式（１）のように、ダイス４通過直後の鋼線Ｂの温度Ｔ_ｋと各ダイス４の減面率ｒ_ｋとの積の平均値であるＰ値を焼付き発生防止の管理指標として用いたのは、以下の理由による。

すなわち、ダイス４への焼付きは、鋼線Ｂ表面の一部が剥がれてダイス４表面に焼き付いた状態で付着することにより生じる。したがって、鋼線Ｂの温度が上昇して脆化することで鋼線Ｂ表面の一部が剥がれやすくなるので、焼付きが発生しやすくなる。また、ダイス４の減面率が大きくなるほどダイス４のアプローチ角度および／またはアプローチ長さが大きくなるので、鋼線Ｂ表面の一部が剥がれやすくなる。このように、ダイス４通過直後の鋼線Ｂの温度Ｔ_ｋおよびダイス４の減面率は、いずれもその値が大きくなるほどダイス４への焼付きが発生しやすくなる作用を示す因子であることから、本発明者らは、これらの因子は相乗的に作用すると考えた。そこで、後述の実施例で示すように、ダイス４通過直後の鋼線Ｂの温度Ｔ_ｋと各ダイス４の減面率ｒ_ｋとの積（Ｔ_ｋ×ｒ_ｋ）の平均値であるＰ値と焼付き発生の有無との関係を調査した結果、Ｐ値が一定値（２０．４）を超えると、焼付きが発生し、一定値（２０．４）以下では焼付きが発生しないことがわかった。以上のことから、Ｐ値を管理指標として用いることとした。

ダイス４通過直後の鋼線Ｂの温度Ｔ_ｋの測定手段としては、高速で移動する細い鋼線の温度を直接測定することは容易でないことから、冷却ブロック５の側面下部に表面温度計６を向けて、冷却ブロック５に巻き取られた直後の鋼線Ｂの表面温度を測定する手段が推奨される。

なお、伸線開始後、鋼線Ｂの温度Ｔ_ｋは伸線時間の経過とともに徐々に上昇し、やがて一定温度に達することから、一定温度到達後に測温を行うことが好ましい。例えば１トン線材コイルを最終線速１２００ｍ／ｍｉｎで伸線するのに通常トータルで約５時間（なお、後述の実施例のように２回通しで伸線する場合は１回当たり約２．５時間）を要するが、伸線開始後１５分程度で鋼線Ｂの温度Ｔ_ｋは一定温度に達するので、１５分経過後から測温を開始するようにすればよい。

放射温度計６は各パスの冷却ブロック５の下部に向けてそれぞれ固定して設置してもよいが、伸線開始後所定時間経過後は鋼線Ｂの温度Ｔ_ｋはほぼ一定温度に維持されることから、１台の放射温度計６を用いて、順次各パスの冷却ブロック５側面の下部温度を測定するようにしてもよい。

このようにして、各パスの冷却ブロック５側面の下部温度を測定し、その測定値と各パスのダイス４の減面率とから、上記式（１）によりＰ値を算出する。そして、このＰ値が一定値（２０．４）を超えていた場合には、このまま伸線を継続するとダイス４への焼付きの発生が懸念されるので、例えば伸線速度を低下させて伸線を継続するのがよい。これにより、伸線速度低下以後の伸線加工による発熱が抑制されるため、鋼線Ｂの温度が低下し、焼付きを確実に防止することができる。なお、伸線速度低下後、一定温度に到達するのに、伸線開始時と同様１５分程度要するので、同時間経過後に再度測温を行って、Ｐ値が一定値（２０．４）以下になっていることを確認しておくのが好ましい。

なお、伸線中にＰ値が一定値（２０．４）を越える場合は、上記のように伸線途中で伸線速度を低下させることにより焼付きを防止できるが、伸線速度の低下は生産性の低下を来たすので、根本的にはパススケジュール（すなわち、パス総数および各パスのダイスの減面率の組合せ）を適切に変更し、伸線速度を維持しつつ、あるいは、むしろ上昇させつつ、Ｐ値を一定値（２０．４）以下に維持するように調整するのがより望ましい。

このように、伸線開始後に冷却ブロック５側面の下部温度（すなわち、ダイス３通過直後の鋼線Ｂの温度）を測定するだけで、ダイスへの焼付き発生の可能性を早期に検知し、所定の対策を迅速に行えるので、伸線中の加工発熱による鋼線温度の上昇が効果的に抑制され、鋼線の脆化が抑制される。この結果、簡易かつ確実に焼付きないし断線を防止でき、得られた鋼線の表面にダイスマークが発生することが防止できる。さらに、鋼線の絞りは、伸線中、総減面率が７０％でパーライトラメラの配向が揃うことによって最大となり、総減面率が７０％を超えて大きくなるとセメンタイトの分断などが原因となり低下する傾向を示すことが知られているが、上記鋼線の脆化抑制の効果により、この絞りの低下の度合いも抑制することができる。したがって、本発明を適用することで、簡易かつ確実に焼付きないし断線を防止して高生産性を維持しつつ、強度および延性に優れた高炭素鋼線を得ることできる。

なお、上記実施形態では、伸線機としてストレート型を例示したが、貯線型にも当然に適用できるものである。すなわち、ストレート型では、冷却ブロックへの鋼線の巻数は一定に維持して伸線速度の調整はダンサロールで行うのに対し、貯線型では、伸線速度の調整は冷却ブロックへの鋼線の巻数を増減させることにより行う点では両者は異なるものの、各ダイスの後段に冷却ブロックを有するという構成は両者で共通する。したがって、貯線型においても、冷却ブロックに巻き取られた直後の鋼線の表面温度を測定することで、上記ストレート型と全く同様の制御を行うことが可能なことは明らかである。

本発明に規定する線材の成分組成を満足する下記高炭素鋼を転炉で溶製し、得られた鋼塊を分解圧延して１５５ｍｍ角のビレットを作製し、１１５０℃程度に加熱後、熱間圧延を行い、直径５．５mmの線材を得た。表１にＣ含有量が０．７２％近傍および０．８２％近傍の線材の成分組成を示す。なお、同表に示す成分以外の残部は、いずれの線材ともＦｅおよび不可避的不純物である。

図１に示す構成のストレート型乾式連続伸線機（パス総数：９パス）および図示しない貯線式乾式連続伸線機（パス総数：８パス）の２種類の乾式連続伸線機を用いて、直径５．５ｍｍの線材をメカニカルデスケラでスケールを除去した後、ボラックス皮膜処理を施し、乾式潤滑剤を塗布しつつ複数のダイスにて直径０．９５ｍｍまで伸線して高炭素鋼鋼線を製造する実験を行った。なお、上記実施形態で既述したように、本実施例で用いたストレート型乾式連続伸線機では、冷却ブロックへの鋼線の巻数は一定に維持して伸線速度の調整は段差ロールで行うのに対し、本実施例で用いた貯線型乾式連続伸線機では、伸線速度の調整は冷却ブロックへの鋼線の巻数を増減させることにより行う点では両伸線機は異なるものの、各ダイスの後段に冷却ブロックを有する点では両者は共通する。そして、伸線開始１５分後より、鋼線が巻き付けられた各パスの冷却ブロックの下部の温度を放射温度計により順次測定した。なお、ストレート型乾式連続伸線機では冷却ブロックに巻き付けられる鋼線の巻数によって冷却後の鋼線温度が変化し、次のパスの冷却ブロックの下部の温度が変動するので、その影響を除外するため巻数はすべてのパスの冷却ブロックにおいて３５巻に固定した。また、伸線開始１５分後の測温値と６０分後の測温値は同等であることから、伸線開始１５分後の測温で問題ないことを確認している。放射温度計の放射率は０．７とした。

なお、本発明で規定したＰ値の上限値（２０．４）は、乾式伸線機の形式・能力等の装置特性の違いによらず一定である。なぜなら、線材（鋼線）がダイスを通過した後、冷却ブロックに巻き付けられるまでの距離は伸線機によって種々異なるもののその距離は短く、鋼線の移動速度は非常に大きいことから鋼線が前記距離を移動する時間（すなわち、鋼線が冷却される時間）はごく短時間でその間の温度低下は無視できる。したがって、冷却ブロックに巻き取られた直後の鋼線温度は、乾式伸線機の形式・能力等の装置特性の違いによらず、ダイス通過直後の鋼線温度と実質的に同等であるからである。

そして、本発明の適用限界を明確にすべくダイス通過直後の鋼線温度を意図的に変化させることを目的に、最終伸線速度を２５０から１２００ｍ／ｍｉｎまで順次変化させて伸線を行った。また、パススケジュールはパス総数および各パスのダイスの減面率の組合せを変えることにより変更を行った。パス総数が少なすぎると１パス当たりのダイス減面率が大きくなりすぎて伸線中の加工発熱量が過大となり、鋼線温度が過度に高くなることにより焼付きがほとんどのケースで生じてしまい、本発明の適用限界を明確にすることが困難になるため、パス総数は１２パス、１４パスおよび１８パスの３条件で行った。本実施例で用いた伸線機のパス総数は、ストレート型で最大９パス、貯線型で最大８パスであることから、いずれの伸線機を用いる場合も２回通しを行った。すなわち、初期線径５．５ｍｍから中間線径１．９８〜２．５ｍｍまで伸線後、いったんリールに巻き取り、再度この中間線径から最終線径０．９５ｍｍｍまで伸線を行った。なお、リール巻取り後にパテンティング処理は行っていないため、パテンティング処理を行う場合よりも伸線加工硬化度は高く、鋼線の温度が上昇し焼付きが生じやすい条件である。

そして、各条件下での伸線後にダイスを目視して焼付きの有無を確認した。

実験結果を表２〜５および図１に示す。なお、実験Ｎｏ．８および９では、貯線型乾式連続伸線機を、その他の実験Ｎｏ．ではストレート型乾式連続伸線機を用いて伸線を行った。表２〜４に示す各パスにおけるダイス減面率と冷却ブロック側面の下部温度とを上記式（１）に代入してＰ値を算出し、表５に、ダイスへの焼付きの有無とともに示した。また、図１にＰ値と焼付きの有無との関係を示した。表５および図２から明らかなように、Ｐ値が２０．４を超えると焼付きが発生するのに対し、Ｐ値が２０．４以下では焼付きが発生しないことがわかる。さらに、焼付きが発生しなかった実験で製造された鋼線の表面にはダイスマークが現われず、良好な表面性状が得られることを確認した。

本発明に係る高炭素鋼線の製造方法を適用する乾式連続伸線装置の概略構成を示すフロー図である。Ｐ値と焼付き発生の有無との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１：メカニカルデスケラ
２：被膜処理装置
３：潤滑剤塗布装置
４：ダイス
５：冷却ブロック
６：放射温度計
Ａ：線材
Ｂ：鋼線

Claims

質量％で、Ｃ：０．６〜１．１％、Ｓｉ：０．１〜１．５％、Ｍｎ：０．３〜１．０％、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下を含有する高炭素鋼線材を、スケール除去した後に、皮膜処理を施し、次いで、ダイスとその後段に冷却ブロックとを備えたパスを複数パス連続的に通過させて乾式伸線加工を行うことによって高炭素鋼線を製造する方法であって、
下記式を満足するように、パス総数、各パスのダイスの減面率の組合せおよび伸線速度のうち少なくとも１つを調整することを特徴とする高炭素鋼線の製造方法。
式Ｐ＝{Σ（Ｔ_ｋ×ｒ_ｋ）}／ｎ≦２０．４
（式中、Ｔ_ｋはｋパス目のダイス通過直後の鋼線の温度[℃]、ｒ_ｋはｋパス目のダイスの減面率[％／１００]、ｎはパス総数、Σは全パスの総和を示す。）
各ダイス通過直後の鋼線の温度は、各ダイス後段の冷却ブロックに巻き取られた直後の鋼線の表面温度とする請求項１に記載の高炭素鋼線の製造方法。